Il nostro mix energetico del futuro

Prevedere i sistemi energetici

Pochissimi argomenti sono così complessi e importanti come il futuro mix energetico della nostra civiltà. A seconda di chi si chiede, la dipendenza dai combustibili fossili è impossibile da eliminare, oppure le energie rinnovabili prenderanno il sopravvento a un ritmo vertiginoso. La realtà è ovviamente complessa ed è molto difficile prevedere il futuro dell’energia.

In questo articolo esamineremo la nostra situazione attuale, vedremo i pochi scenari possibili e, cosa più importante, quali cambiamenti economici o tecnologici renderanno più probabile che si verifichi uno scenario rispetto all’altro.

Dove Siamo

Se finora esiste uno schema nel nostro crescente utilizzo di energia, è che nuove fonti energetiche tendono ad essere aggiunte al nostro mix energetico, piuttosto che sostituire quelle precedenti.

Ad esempio, stiamo ancora utilizzando la stessa quantità, se non di più, di biomassa (soprattutto legno) rispetto al 1800, prima della rivoluzione industriale. Allo stesso modo, il consumo di carbone è per lo più solo aumentato nel tempo, a cui si sono aggiunti petrolio, gas e poi energia idroelettrica, nucleare e rinnovabili.

Fonte: Il nostro mondo nei dati

Ciò potrebbe sorprendere, considerando i progressi che sembrano aver fatto le energie rinnovabili nella nostra produzione di elettricità. Ciò è dovuto a molteplici cause:

• La Cina, leader nella nuova capacità delle energie rinnovabili e nella transizione verso i veicoli elettrici, è anche leader nella costruzione di centrali elettriche a carbone.
• La maggior parte del consumo di energia primaria non viene utilizzata per generare elettricità. Invece, la maggior parte del nostro consumo energetico proviene dalla mobilità, dal riscaldamento e da usi industriali come la produzione di acciaio e prodotti petrolchimici (produzione di fertilizzanti, plastica, prodotti farmaceutici, prodotti chimici, ecc.).
• La crescita della popolazione e l’uscita di miliardi dalla povertà estrema hanno comportato un aumento del consumo di energia, con l’opzione più economica disponibile spesso il carbone. Oltre al maggior consumo di carne, di aria condizionata, di automobili, di viaggi in aereo, ecc.
• La globalizzazione dell’economia, che porta a molti più trasporti di merci, inclusi molteplici movimenti avanti e indietro di materie prime, parti semitrasformate e beni finali.
• Industrializzazione dell’agricoltura, aumento dei rendimenti e riduzione della manodopera necessaria, ma anche aumento del consumo di combustibili fossili e fertilizzanti.

Per chiunque sia preoccupato dal cambiamento climatico e dalle emissioni di carbonio, questo può rappresentare una prospettiva deprimente, con i combustibili fossili saldamente radicati nel nostro mix energetico globale. Ma questo non è nemmeno il quadro completo.

Il cambiamento in corso

Da una teoria appena simpatica nel 2016, le auto elettriche (EV) rappresentano ora una parte in crescita esponenziale delle vendite globali, con oltre 10 milioni di auto elettriche vendute nel 2022, ovvero il 14% delle vendite globali, con Cina ed Europa in testa.

Fonte: AIE

Anche la quota di energia rinnovabile (idroelettrica + solare + eolica + geotermica) è in rapida crescita. E mentre alcuni paesi sono in cima a questa lista da molto tempo, a causa delle enormi risorse idroelettriche (come Norvegia, Brasile o Canada), il solare + eolico è davvero il luogo in cui si sta verificando il cambiamento.

Fonte: Il nostro mondo di dati

Uno sguardo su base nazionale mostra un chiaro punto di flessione nel 2010, quando le energie rinnovabili spesso sono più che raddoppiate, di solito interamente sostenute dalla crescita della produzione solare ed eolica. Ad esempio, Cina e Australia:

Fonte: Il nostro mondo nei dati

Fonte: Il nostro mondo nei dati

Un fattore determinante di questo cambiamento è stato il forte calo dei costi delle energie rinnovabili. Spinto in egual misura dall’innovazione tecnologica e dall’aumento della produzione industriale, ciò ha reso le energie rinnovabili sempre più competitive. Almeno sulla carta, le energie rinnovabili sembrano ora più economiche dei combustibili fossili (ne parleremo più avanti), come dimostrato dall'IRENA (Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili).

Fonte: IRENA

Le sfide

Negli ultimi anni ha cominciato ad emergere una situazione strana. Il rapido calo dei costi delle energie rinnovabili ha convinto non poche persone che i combustibili fossili avrebbero presto fatto la fine dei dodo.

Fonte: Twitter/X

Ma negli ultimi anni alcuni shock macroeconomici hanno messo in discussione questa idea. La guerra in Ucraina ha innescato una massiccia inflazione e ha spinto paesi come la Germania a ricominciare a fare affidamento sul carbone.

E quella stessa inflazione ha gravemente danneggiato la redditività dei progetti rinnovabili pianificati. I massicci progetti eolici offshore sono stati cancellati, il prezzo delle azioni delle società solari ed eoliche è crollato: questo è stato un periodo doloroso. Puoi leggere di più su cosa succede nel nostro articolo “Il crollo delle energie rinnovabili nel 2023".

Anche le vendite di veicoli elettrici vengono messe in discussione il rinvio o l’annullamento della strategia dei veicoli elettrici da parte dei principali produttori, come GM, Ford o Honda.

Intermittenza delle rinnovabili

Una questione chiave che dovrà essere risolta è lo stoccaggio dell’energia. La produzione di energia eolica e solare dipende dalle condizioni meteorologiche e può essere temporaneamente disconnessa dalla domanda. Questo è un problema per una rete elettrica che richiede una produzione “just-in-time” e un perfetto equilibrio istantaneo tra produzione e domanda.

Esistono molte alternative possibili, ma le tecnologie sono appena iniziate o non sono state implementate su vasta scala abbastanza presto. Ciò porta ad un surplus di energia durante il giorno e/o in estate, e ad una carenza di energia durante la notte e/o in inverno.

Il problema non è irrisolvibile ma richiede politiche ben coordinate e maggiori investimenti nelle reti elettriche.

E, francamente, ammettendo anche che tra i costi “reali” delle rinnovabili dovrebbero rientrare anche i costi di stoccaggio dell’energia. Le energie rinnovabili potrebbero non essere ancora del tutto più economiche dei combustibili fossili, almeno una volta che diventeranno una parte importante della produzione elettrica del Paese.

La Limits di batterie

La preoccupazione che l’adozione dei veicoli elettrici rimanga sulla buona strada è dovuta a limiti tecnologici simili. Mentre ai primi utilizzatori andavano bene costi iniziali più elevati, autonomia inferiore o tempi di ricarica più lenti rispetto ai veicoli ICE (motore a combustione interna), altri acquirenti potrebbero non esserlo. Anche la carenza di litio che ha fatto lievitare il prezzo del metallo bianco ha causato alcune preoccupazioni.

Fortunatamente, presto arriveranno nuove tecnologie per le batterie, dalle batterie cinesi agli ioni di sodio alle batterie allo stato solido che dovrebbero aiutare a ridurre i prezzi dei veicoli elettrici e cancellare preoccupazioni legittime come l’ansia da autonomia o i rischi di incendio.

Domanda di energia difficile da commutare

E poi, è semplicemente difficile eliminare alcuni consumi energetici dai combustibili fossili. Per esempio, spedizione a lunga distanza richiede comunque un combustibile molto denso e liquido per funzionare. Volare richiede anche una fonte di energia ad altissima densità energetica, che le batterie per ora non sono in grado di fornire. La maggior parte della produzione di plastica si basa sul petrolio, sui fertilizzanti sul gas e sull’acciaio sul carbone da coke.

Anche in questo caso le soluzioni esistono, ma si tratta di tecnologie alquanto immature e lungi dall’essere implementate a livello globale.

Tecnologie rivoluzionarie

I probabili punti di svolta

Sono già disponibili numerose soluzioni per contribuire a riavviare la crescita delle energie rinnovabili e delle tecnologie a basse emissioni di carbonio.

Innovazione nucleare

Ancora controversa, l’energia nucleare è tuttavia una tecnologia a basse emissioni di carbonio ciò potrebbe essere necessario per colmare il divario verso un futuro basato sulle rinnovabili.

I piccoli reattori nucleari (SMR) sono un altro settore che recentemente ha sofferto cattive notizie a causa dell’aumento dei costi, legati all’inflazione globale. Ma in ogni caso, la tecnologia nucleare sta attraversando una rinascita, con nuovi progetti più sicuri che guardano ai reattori più piccoli (SMR e microreattori), o anche nuovi combustibili come torio. Nel frattempo, La Cina sta costruendo 24 nuovi grandi reattori nuclearie pianificandone un totale di altrettanti come 150 reattori.

Migliori energie rinnovabili

È probabile che il calo dei costi rispetto ai combustibili fossili rimanga una tendenza duratura. Ciò è particolarmente vero per il solare, con innovazioni come celle solari a film sottile o celle solari di terza generazione (silicio amorfo, polimeri organici o cristalli di perovskite).

Anche i progetti di batterie su scala industriale aiuteranno, con oltre il triplo della capacità attuale entro il 2025.

Fonte: VIA

Batterie allo stato solido

Tutti coloro che lavorano sulla tecnologia delle batterie sanno che le batterie allo stato solido, che non richiedono gli elettroliti liquidi delle attuali batterie al litio, rappresenteranno un punto di svolta. E molte aziende stanno parlando di lanciare la propria versione di batterie allo stato solido già nel 2026-2029. Ciò include QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) e Samsung SDI (006400.KS). Mentre Tesla (TSLA) sta lavorando la propria alternativa alle batterie allo stato solido.

Il punto di svolta speculativo

Alcune altre tecnologie sono meno mature, ma ancora più promettenti e saranno probabilmente il modo in cui otterremo la nostra energia nel 2040-2050 e oltre.

Surgeneratori nucleari

Una grande preoccupazione per le centrali nucleari sono le scorie nucleari. Surgeneratori (o “allevatori”) possono consumare questi rifiuti nucleari e trasformarli nuovamente in energia e combustibile nucleare. Ciò potrebbe rendere il combustibile nucleare disponibile praticamente illimitato e ridurre notevolmente il problema delle scorie nucleari. Un vantaggio è che questa tecnologia non è realmente nuova, come veniva utilizzato dalla Francia fino al 1997, quindi è solo speculativo a causa delle difficoltà politiche legate all’energia nucleare.

Solare dallo spazio

Produrre energia solare dall'orbita risolverebbe all'istante tutti i problemi dell'energia solare: niente intermittenza, niente nuvole, nessun calo della produzione in inverno. Con Internet spaziale improvvisamente una realtà con Starlink, questo non è così stravagante come sembra.

È qualcosa che abbiamo approfondito nel nostro articolo”Dalla fantascienza all'altitudine: i pannelli solari in orbita sono un'idea brillante?"

Geotermico

Una fonte di energia rinnovabile finora per lo più trascurata e in grado di fornire energia di carico di base 24 ore su 7, XNUMX giorni su XNUMX è l’energia geotermica. La situazione sta finalmente cambiando, con aziende come Vulkan Energy (VUL.AX), Tecnologie Ormat (ORA), E Assaporare. Queste aziende, in un certo senso ironicamente, ripropongono i progressi compiuti dall’industria petrolifera nelle trivellazioni e nel fracking per sfruttare le fonti di calore della Terra. (Abbiamo coperto Ormat in questo articolo e Vulcano in questo).

Combustibili sintetici

L’energia generata da fonti rinnovabili (o anche nucleare) potrebbe essere utilizzata per sintetizzare gas o combustibili liquidi. Ciò comprende Idrogenazione, ammoniaca, gas di sintesi, or combustibili sintetici.

Un’altra opzione per il carburante sintetico potrebbe essere quella di sfruttare la biologia e utilizzare le microalghe per generare biocarburanti (vedi “Biocarburante algale: la prossima rivoluzione energetica?”) o biofermentatori da produrre biogas e biometano dalla materia organica di scarto.

Questi combustibili potrebbero quindi essere utilizzati su aerei, navi e altre applicazioni che richiedono combustibili molto densi o temperature di combustione molto elevate (come la produzione dell’acciaio).

fusione

L’energia da fusione mira a creare energia fondendo insieme elementi leggeri come l’idrogeno, ricreando sulla Terra il processo che alimenta il Sole stesso. Con temperature che vanno da milioni a centinaia di milioni di gradi, questa è una sfida tecnologica immensa.

Fornirebbe anche energia pulita, non producendo né carbonio né scorie nucleari, con una fornitura illimitata di “carburante”, poiché l’idrogeno è l’atomo più abbondante nell’universo.

Il più grande progetto di fusione è il consorzio di ricerca internazionale ITER, con molte startup perseguendo anche il sogno della fusione nucleare, compreso Elio, Fusione generale, Fusione del Commonwealth, Tecnologie del tè, ZAP Energiae NEO Fusion (finanziato dal produttore cinese di veicoli elettrici Nio).

Il(i) mix energetico(i) del futuro

Anche se probabilmente promettenti nel lungo termine, esamineremo principalmente i possibili mix energetici senza nessuno dei “cambiamenti di gioco speculativi” discussi sopra, mentre guardiamo all’orizzonte del 2040.

L’EIA (Energy Information Administration) ha pubblicato molteplici scenari, a seconda della crescita economica e dell’adozione o meno di tecnologie a basse emissioni di carbonio.

Nella maggior parte dei casi si prevede che l'uso di energia continuerà a crescere, con i combustibili fossili che continueranno a fornire la maggior parte dell'energia mondiale entro il 2050. Questa è una proiezione se non cambiano le leggi e gli investimenti in energia rimangono in linea con l'attuale tendenza.

Fonte: VIA

Affari come al solito

Questo è uno scenario deprimente per chiunque presti attenzione al cambiamento climatico. Si presuppone che carbone, gas e petrolio rimarranno per i prossimi vent’anni la forza dominante nel nostro sistema energetico, producendo la maggior parte della nostra energia.

Ciò è tutt’altro che impossibile, come dimostra il recente ritorno della Germania al carbone, nonostante il paese fosse ampiamente considerato in precedenza come un campione delle energie rinnovabili e della transizione energetica.

La strada dell'alta tecnologia

Un’altra opzione è che le nostre società abbraccino il cambiamento tecnologico quando si tratta di energia. Ciò include le energie rinnovabili, ma anche il nucleare massiccio, probabilmente sia di tipo convenzionale che di tipo più piccolo contemporaneamente.

Questo è uno scenario in cui la produzione di energia elettrica da combustibili fossili è scontata da alternative migliori o addirittura vietata dalla legge.

È anche uno scenario in cui i veicoli elettrici continuano ad essere adottati rapidamente, probabilmente grazie alle nuove tecnologie delle batterie.

Mentre il nucleare produce energia di carico di base e capacità invernali, le energie rinnovabili possono gestire la produzione in eccesso di combustibili liquidi per decarbonizzare l’aviazione, la navigazione e l’industria pesante.

La strada del basso consumo

Considerando la fame di energia del mondo in via di sviluppo, che comprende non solo la Cina ma anche il Sud America, l’Africa, l’India e l’Indonesia, questo non sembra uno scenario molto probabile.

In qualche modo, ciò implicherebbe la “scelta” della vera decrescita, e probabilmente, in media, un declino degli standard di vita, con soprattutto meno viaggi e commercio internazionale. L’agricoltura si deindustrializza in una certa misura, l’attività industriale diminuisce e le economie complessive diventano molto più locali.

Un simile scenario dovrebbe molto probabilmente essere immaginato parallelamente a massicce tensioni internazionali, guerre o depressione globale, spiegando l’improvvisa diminuzione delle attività economiche, poiché una scelta volontaria di una minore produzione appare improbabile sia nei paesi democratici che in quelli autocratici.

Lo scenario di confusione

Questo è uno scenario in cui tutto accade in una volta. I combustibili fossili sono in leggero calo, ma non completamente eliminati. Nel complesso il carbone viene gradualmente eliminato, ma il petrolio e il gas non altrettanto. Alcuni paesi scommettono sul nucleare, altri sulle energie rinnovabili, altri ancora mantengono le cose come al solito.

L’elettrificazione e la decarbonizzazione avvengono ma a un ritmo più lento di quanto desiderato. Le emissioni di carbonio rimangono in quello scenario molto al di sopra dello scenario zero netto previsto dal GIEC per evitare che le temperature globali aumentino troppo.

Questo non è molto diverso dagli scenari VIA menzionati sopra. In seguito, la cattura del carbonio potrebbe essere utilizzata per accelerare la decarbonizzazione e invertire alcune delle emissioni del passato.

Lo scenario rivoluzionario

Viene fatto un passo avanti nella generazione di energia, consentendo energia in abbondanza, e la soluzione può essere rapidamente implementata in tutto il mondo.

Potrebbe trattarsi di un drastico declino delle infrastrutture solari orbitali attraverso una nuova corsa allo spazio tra SpaceX e le aziende cinesi.

Oppure un enorme successo per ITER al momento del lancio nel 2025-2026.

O nuovi progetti rivoluzionari nella tecnologia solare e delle batterie.

Tali cambiamenti sono per natura quasi impossibili da prevedere o quantificare. Ma non dovrebbero nemmeno essere del tutto respinti.