Il Nostro Futuro Mix Energetico

Prevedere i Sistemi Energetici

Molti pochi argomenti sono tanto complessi e importanti quanto il futuro mix energetico della nostra civiltà. A seconda di chi chiedi, la dipendenza dai combustibili fossili è impossibile da eliminare, oppure le 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, soprattutto, quali cambiamenti economici o tecnologici renderanno più probabile il verificarsi di uno scenario rispetto all’altro.

Dove Siamo

Se finora c’è un modello nel nostro crescente consumo energetico, è che le nuove fonti di energia tendono ad essere aggiunte al nostro mix energetico, piuttosto che sostituire quelle precedenti.

Ad esempio, stiamo ancora usando tanto, se non di più, biomassa (principalmente legno) rispetto al 1800, prima della Rivoluzione Industriale. Allo stesso modo, il consumo di carbone è aumentato quasi costantemente nel tempo, a cui si sono aggiunti petrolio, gas, e poi idroelettrico, nucleare e rinnovabili.

Fonte: OurWorldInData

Questo potrebbe sorprendere, considerando quanto le rinnovabili sembrano aver progredito nella nostra produzione di elettricità. È dovuto a molteplici cause:

• La Cina, leader nella nuova capacità di rinnovabili e nella transizione verso i veicoli elettrici, è anche leader nella costruzione di centrali a carbone.
• La maggior parte del consumo energetico primario non è utilizzata per generare elettricità. Invece, la maggior parte del nostro consumo energetico proviene da mobilità, riscaldamento e usi industriali come la produzione di acciaio e di prodotti petrolchimici (produzione di fertilizzanti, plastica, prodotti farmaceutici, chimici, ecc.).
• La crescita della popolazione e i miliardi che escono dalla povertà estrema hanno comportato un aumento del consumo energetico, con l’opzione più economica spesso il carbone. Inoltre, maggiore consumo di carne, aria condizionata, automobili, viaggi aerei, ecc.
• La globalizzazione dell’economia, che porta a molto più trasporto di merci, inclusi numerosi spostamenti avanti‑indietro di materie prime, componenti semilavorati e prodotti finiti.
• L’industrializzazione dell’agricoltura, che aumenta le rese e riduce la manodopera necessaria, ma aumenta anche il consumo di combustibili fossili e fertilizzanti.

Per chi è preoccupato per il cambiamento climatico e le emissioni di carbonio, questo può dipingere una prospettiva deprimente, con i combustibili fossili saldamente radicati nel nostro mix energetico globale. Tuttavia, non è l’intera immagine.

Il Cambiamento in Corso

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

Fonte: IEA

La quota di energia rinnovabile (idro + solare + eolico + geotermico) sta crescendo rapidamente. E mentre alcuni paesi sono da tempo in cima a questa lista, grazie a enormi risorse idroelettriche (come Norvegia, Brasile o Canada), è davvero il solare + eolico dove avviene il cambiamento.

Fonte: Our World In Data

Un’analisi per paese mostra un chiaro punto di inflessione nel 2010, quando le rinnovabili spesso più del raddoppiarono, solitamente trainate interamente dalla crescita della produzione solare ed eolica. Per esempio, Cina e Australia:

Fonte: OurWorldInData

Fonte: OurWorldInData

Un fattore trainante enorme di questo cambiamento è stata una netta riduzione dei costi delle rinnovabili. Spinta sia dall’innovazione tecnologica sia dalla scala della produzione industriale, ciò ha reso le rinnovabili sempre più competitive. Almeno sulla carta, le rinnovabili sembrano ora più economiche dei combustibili fossili (approfondiremo più avanti), come dimostra l’IRENA (International Renewable Energy Agency).

Fonte: IRENA

Le Sfide

Negli ultimi anni, è iniziata a emergere una situazione strana. I costi rapidamente in calo delle rinnovabili hanno convinto molte persone che i combustibili fossili sarebbero scomparsi presto come i dodo.

Fonte: Twitter/X

Tuttavia, negli ultimi anni, alcuni shock macroeconomici hanno messo in dubbio questa idea. La guerra in Ucraina ha scatenato una massiccia inflazione e ha spinto paesi come la Germania a riprendere la dipendenza dal carbone.

Quella stessa inflazione ha gravemente danneggiato la redditività dei progetti rinnovabili pianificati. Progetti eolici offshore di grandi dimensioni cancellati, crollo del prezzo delle azioni di aziende solari ed eoliche; è stato un periodo doloroso. Puoi leggere di più su quanto accaduto nel nostro articolo “The 2023 Renewable Energy Crash“.

Anche le vendite di EV sono messe in dubbio, dopo il rinvio o la cancellazione della strategia EV da parte dei principali produttori, come GM, Ford o Honda.

Intermittenza delle Energie Rinnovabili

Una questione chiave da risolvere è lo stoccaggio dell’energia. La produzione di energia eolica e solare dipende dal meteo e può essere temporaneamente scollegata dalla domanda. Questo è un problema per una rete elettrica che richiede produzione “just‑in‑time” e un equilibrio perfetto e istantaneo tra produzione e domanda.

Esistono molte alternative possibili, ma le tecnologie sono o appena agli inizi, o non sono state ancora distribuite su larga scala in tempi sufficienti. Ciò porta a un surplus di energia durante il giorno e/o l’estate, e a carenze di notte e/o in inverno.

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

E, francamente, è necessario ammettere che i “veri” costi delle rinnovabili dovrebbero includere i costi dello stoccaggio dell’energia. Le rinnovabili potrebbero non essere ancora completamente più economiche dei combustibili fossili, almeno finché non diventeranno una parte consistente della produzione elettrica del paese.

Ilimiti delle Batterie

La preoccupazione che l’adozione dei veicoli elettrici rimanga in linea è dovuta a limitazioni tecnologiche simili. Mentre i primi adottanti accettavano costi iniziali più alti, autonomia ridotta o tempi di ricarica più lenti rispetto ai veicoli a motore a combustione interna (ICE), altri acquirenti potrebbero non farlo. La carenza di litio, che ha aumentato il prezzo del metallo bianco, ha inoltre generato preoccupazioni.

Fortunatamente, nuove tecnologie di batterie stanno per arrivare, dalle batterie cinesi al sodio‑ion alle batterie a stato solido, che dovrebbero aiutare a ridurre i prezzi dei veicoli elettrici e a eliminare preoccupazioni legittime come l’ansia da autonomia o i rischi di incendio.

Domanda Energetica Difficile da Cambiare

Inoltre, alcuni consumi energetici sono semplicemente difficili da sostituire ai combustibili fossili. Per esempio, il trasporto marittimo a lunga distanza richiede ancora un combustibile molto denso e liquido per funzionare. Il volo richiede anche una fonte di energia ad altissima densità, che le batterie attualmente non possono fornire. La maggior parte della produzione di plastica dipende dal petrolio, i fertilizzanti dal gas e l’acciaio dal carbone di coke.

Anche qui esistono soluzioni, ma sono tecnologie ancora immature e lontane da una diffusione globale.

Tecnologie che Cambiano il Gioco

I Probabili Cambiatori di Gioco

Già diverse soluzioni sono disponibili per contribuire a rilanciare la crescita delle rinnovabili e delle tecnologie a basse emissioni di carbonio.

Innovazione Nucleare

Ancora controversa, l’energia nucleare è comunque una tecnologia a basse emissioni di carbonio che potrebbe essere necessaria per colmare il divario verso un futuro guidato dalle rinnovabili.

I piccoli reattori nucleari (SMR) sono un altro settore che recentemente ha subito cattive notizie a causa dell’aumento dei costi, legati all’inflazione globale. In ogni caso, la tecnologia nucleare sta vivendo una rinascita, con nuovi design più sicuri che puntano a reattori più piccoli (SMR e micro‑reattori), o anche nuovi combustibili come il torio. Nel frattempo, la Cina sta costruendo 24 nuovi grandi reattori nucleari, e prevede un totale di fino a 150 reattori.

Rinnovabili Migliori

I costi in diminuzione rispetto ai combustibili fossili probabilmente continueranno come tendenza duratura. Questo 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 perovskite).

I progetti di batterie su scala di utilità aiuteranno inoltre, con più del triplo della capacità attuale entro il 2025.

Fonte: EIA

Batterie a Stato Solido

Chiunque lavori sulla tecnologia delle batterie sa che le batterie a stato solido, che non richiedono gli elettroliti liquidi delle attuali batterie al litio, saranno una svolta. Molte aziende stanno parlando di lanciare la propria versione di batterie a stato solido già tra il 2026‑2029. Questo include QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) e Samsung SDI (006400.KS). Mentre Tesla (TSLA ) (TSLA) sta lavorando su una propria alternativa alle batterie a stato solido.

Il Cambiatore di Gioco Speculativo

Altre tecnologie sono meno mature, ma ancora più promettenti e probabilmente saranno il modo in cui otterremo energia nel 2040‑2050 e oltre.

Surgeneratori Nucleari

Una grande preoccupazione delle centrali nucleari è il rifiuto nucleare. Surgeneratori (o “breeder”) possono consumare questi rifiuti nucleari e trasformarli nuovamente in energia e combustibile nucleare. Questo potrebbe rendere il combustibile nucleare disponibile praticamente illimitato e ridurre notevolmente il problema dei rifiuti nucleari. Un vantaggio è che questa tecnologia non è davvero nuova, poiché è stata usata dalla Francia fino al 1997, quindi è solo speculativa a causa delle difficoltà politiche che circondano l’energia nucleare.

Solare Spaziale

Produrre energia solare dall’orbita risolverebbe immediatamente tutti i problemi dell’energia solare: nessuna intermittenza, nessuna nuvolosità, nessuna diminuzione della produzione in inverno. Con Internet spaziale ormai una realtà grazie a Starlink, non è così stravagante come sembra.

È qualcosa che abbiamo approfondito nel nostro articolo “Da Sci‑Fi a Sky‑High: i Pannelli Solari Orbitali sono un’Idea Brillante?”

Geotermia

Una fonte di energia rinnovabile finora per lo più trascurata, in grado di fornire energia di base 24/7, è l’energia geotermica. Questo sta finalmente cambiando, con aziende come Vulkan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA ) (ORA) e Eavor. Queste aziende, in modo un po’ ironico, riutilizzano i progressi nel perforazione e fratturazione sviluppati dall’industria petrolifera per sfruttare le fonti di calore della Terra. (Abbiamo trattato Ormat in questo articolo e Vulkan in questo).

Carburanti Sintetici

L’energia prodotta dalle rinnovabili (o anche dal nucleare) potrebbe essere usata per sintetizzare carburanti gassosi o liquidi. Questo include idrogeno, ammoniaca, syngas, o carburanti sintetici.

Un’altra opzione per i carburanti sintetici potrebbe essere sfruttare la biologia, usando microalghe per generare biocarburanti (vedi “Algal Biofuel: La Prossima Rivoluzione Energetica?”) o bio‑fermentatori per produrre biogas e biometano da materia organica di scarto.

Questi carburanti potrebbero poi essere usati in aerei, navi e altre applicazioni che richiedono carburanti molto densi o temperature di combustione molto elevate (come la produzione di 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, si tratta di una sfida tecnologica immensa.

Fornirebbe anche energia pulita, senza produrre né carbonio né rifiuti nucleari, con una fornitura illimitata di “combustibile”, poiché l’idrogeno è l’atomo più abbondante nell’universo.

Il più grande progetto di fusione è il consorzio internazionale di ricerca ITER, con molte startup che perseguono anche il sogno della fusione nucleare, tra cui Helion, General Fusion, Commonwealth Fusion, TEA Technologies, ZAP Energy, e NEO Fusion (finanziata dal produttore cinese di EV Nio).

Il Futuro Mix Energetico

Sebbene probabilmente promettente a lungo termine, esamineremo principalmente i possibili mix energetici senza alcuno dei “cambiatori di gioco speculativi” discussi sopra, guardando all’orizzonte del 2040.

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

Nel maggior numero di casi, si prevede che il consumo energetico continui a crescere, con i combustibili fossili che forniranno ancora la maggior parte dell’energia mondiale entro il 2050. Questa è una proiezione se non cambiano le leggi e gli investimenti energetici rimangono in linea con l’attuale tendenza.

Fonte: EIA

Business as usual

Questo è uno scenario deprimente per chi presta attenzione al cambiamento climatico. Presume che carbone, gas e petrolio rimarranno per i prossimi due decenni la forza dominante nel nostro sistema energetico, producendo la maggior parte della nostra energia.

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

La Strada ad Alta Tecnologia

Un’altra opzione è che le nostre società abbraccino il cambiamento tecnologico nel settore energetico. Questo include le rinnovabili, ma anche una forte presenza nucleare, probabilmente sia dei tipi convenzionali sia di quelli più piccoli contemporaneamente.

Questo è uno scenario in cui la generazione di energia da combustibili fossili è o resa economicamente non competitiva da alternative migliori o direttamente 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 base e capacità invernali, le rinnovabili possono gestire la produzione in eccesso per carburanti liquidi al fine di decarbonizzare l’aviazione, il trasporto marittimo e l’industria pesante.

La Strada a Basso Consumo

Considerando l’appetito energetico del mondo in via di sviluppo, inclusi non solo la Cina ma anche Sud America, Africa, India e Indonesia, questo non sembra uno scenario molto probabile.

In qualche modo, comporterebbe “scegliere” una vera decrescita, probabilmente con una media diminuzione degli standard di vita, con soprattutto meno viaggi e commercio internazionale. L’agricoltura si de‑industrializza in parte, l’attività industriale diminuisce e le economie complessive diventano molto più locali.

Tale scenario dovrebbe probabilmente essere immaginato in parallelo a massicce tensioni internazionali, guerre o una depressione globale, che spiegherebbero il repentino calo delle attività economiche, poiché una scelta volontaria di ridurre la produzione appare improbabile sia nei paesi democratici sia in quelli autocratici.

Scenario di Compromesso

Questo è uno scenario in cui tutto accade contemporaneamente. I combustibili fossili sono in lieve declino, ma non completamente eliminati. Il carbone è in fase di eliminazione, mentre petrolio e gas lo sono meno. Alcuni paesi puntano sul nucleare, altri sulle rinnovabili, altri mantengono lo status quo.

L’elettrificazione e la decarbonizzazione avvengono, ma a un ritmo più lento di quello desiderato. Le emissioni di carbonio rimangono in questo scenario molto al di sopra dello scenario net‑zero immaginato dal GIEC per mantenere le temperature globali da un aumento eccessivo.

Non è molto diverso dagli scenari EIA citati sopra. In seguito, la cattura del carbonio potrebbe essere implementata per accelerare la decarbonizzazione e invertire parte delle emissioni passate.

Scenario di Scoperta

Viene realizzata una svolta nella generazione di energia, consentendo energia abbondante, e la soluzione può essere rapidamente distribuita in tutto il mondo.

Potrebbe trattarsi di un drastico calo dell’infrastruttura solare orbitale a seguito di una nuova corsa allo spazio tra SpaceX e aziende cinesi.

Oppure di un enorme successo per ITER al lancio nel 2025‑2026.

Oppure di nuovi design rivoluzionari nel solare e nella tecnologia delle batterie.

Tali cambiamenti sono per natura quasi impossibili da prevedere o quantificare. Tuttavia, non dovrebbero essere completamente esclusi.