Quanta energia possiamo ancora produrre sfruttando tutte le riserve di combustibili fossili e di uranio? E quanta con le fonti rinnovabili? Vediamo un interessante confronto per capire quale può essere il futuro del settore energia sulla terra.
Diversi anni fa mi capitò di osservare un interessante grafico che metteva insieme le stime delle riserve di energia disponibili sul pianeta per le diverse fonti e le confrontava con i consumi mondiali di energia:
Il grafico si trova in questo documento, realizzato nell’ambito delle attività dell’International Energy Agency (IEA). E’ un po’ vecchiotto (del 2009), quindi può darsi che nel frattempo siano state fatte stime più precise e aggiornate, ma rimane comunque valido per farsi un’idea complessiva della situazione.
L’unità di misura utilizzata è il Terawatt-anno (TWyr), che può creare un po’ di confusione visto che in genere siamo abituati ad utilizzare misure di energia espresse in ore (Terawatt-ora o TWh). In realtà la questione è abbastanza semplice; considerando che in un anno ci sono 8.760 ore, basta moltiplicare il dato in TWyr per quel numero per avere il dato in TWh.
Inoltre, il dato sui consumi globali è riferito all’energia primaria, ovvero a tutta l’energia consumata, non solo l’elettrica. Quindi i 16 TWyr indicati nel grafico moltiplicati per 8.760 sono equivalenti a 140.160 TWh, che a loro volta sono equivalenti a 504,6 Exajoule (per le conversioni potete usare questo strumento). Tale risultato è abbastanza coerente con i dati statistici sul consumo globale di energia primaria ai tempi della realizzazione di quel grafico (vedi il grafico con i consumi totali al link indicato sopra). Qualche differenza, oltre che da fonti di dati diverse, può dipendere anche dal metodo di calcolo.
Se si considerano i consumi di energia primaria del 2019 di 581,51 Exajoule (il dato 2020 è poco affidabile perché influenzato dalla crisi covid), il dato aggiornato dei consumi nel grafico sarebbe di circa 18 TWyr.
Trattandosi di energia primaria, i dati indicati per carbone, petrolio, gas e uranio (ovvero il nucleare) si riferiscono all’energia termica contenuta nelle riserve dei materiali in questione, non alla sola energia elettrica ricavabile (che è ben inferiore).
Non ho la possibilità e la voglia di verificare tutte le fonti dei dati, ma probabilmente anche per biomassa e geotermico ci si riferisce all’energia termica, mentre per le altre rinnovabili è probabile che si tratti di una stima diretta della produzione elettrica senza usare il metodo della sostituzione (per capire leggere quanto scritto nell’articolo sui già citati grafici sull’energia primaria).
Fa eccezione il solare, per il quale è indicata l’energia irradiata dal sole considerando le terre emerse e assumendo il 65% di perdite per atmosfera e nubi. Questa scelta tende ad enfatizzare il peso del solare nel grafico, visto che con le tecnologie attuali solo una piccola parte di quell’energia riesce concretamente ad essere utilizzata. Per avere un’idea, la tecnologia solare più utilizzata, il fotovoltaico, su un pannello di fascia media realizza un’efficienza in condizioni standard di circa il 18%, ma in condizioni reali e considerando le perdite di sistema dell’impianto tale valore si riduce a circa un 14%.
Ad ogni modo, anche ipotizzando di applicare al solare una stima diretta della sola produzione elettrica con le percentuali anzidette, risulta evidente che le risorse disponibili rimangono enormi rispetto alle altre fonti rinnovabili.
Nel complesso possiamo dire, quindi, che in questo grafico risultano probabilmente un po’ penalizzate tutte le fonti che non utilizzano una risorsa termica di qualsiasi tipo o solare. Quando si tratta di energia primaria è sempre difficile riuscire a dare una rappresentazione univoca e coerente della realtà, proprio perché le risorse e le modalità con le quali vengono utilizzate sono molto diverse tra loro.
Altro aspetto importante da considerare nel grafico è che le riserve indicate sulla destra (carbone, petrolio, gas naturale e uranio) rappresentano il totale di energia residua disponibile sulla terra, perché si tratta di fonti limitate, esauribili. Le altre riserve, invece, sono tutte fonti rinnovabili e i valori indicati fanno quindi riferimento alla sola produzione potenziale di un anno.
Apparentemente sembra quindi che le fonti rinnovabili siano addirittura di un’entità soverchiante rispetto ai consumi annuali e anche rispetto alle fonti non rinnovabili, visto che si confrontano produzioni annuali con riserve totali. In realtà, oltre a quanto già detto sulla fonte solare, bisogna considerare che il concetto di produzione potenziale annuale delle rinnovabili è puramente teorico e molto lontano dalle produzioni concretamente realizzabili.
Prendiamo, ad esempio, una fonte rinnovabile matura e quindi già ampiamente sfruttata come l’idroelettrico. A livello globale la produzione continua a crescere (vedi il grafico relativo alla produzione elettrica), quindi ha ancora prospettive di sviluppo, soprattutto grazie ai paesi emergenti, ma la crescita è già più lenta rispetto a nuove fonti rinnovabili come eolico e fotovoltaico. Nel grafico la produzione potenziale idrica è indicata in 3-4 TWyr. Come detto, probabilmente tale valore rappresenta la semplice produzione elettrica diretta. Convertito in produzione oraria è equivalente a 26.280-35.040 TWh annuali. Attualmente la produzione mondiale annuale idroelettrica è di 4.296,8 TWh (dato 2020). Nonostante si tratti di una fonte matura la differenza tra produzione attuale e potenziale è enorme (risulterebbe sfruttato solo il 12-16% del totale). In pratica la produzione potenziale prevederebbe di riempire di impianti idroelettrici tutti i corsi d’acqua del mondo, cosa impossibile, sia in termini ambientali, sia in termini economici, considerando che una tale diffusione costringerebbe ad utilizzare anche i luoghi meno produttivi e quindi più costosi.
Difficile dire, quindi, quanto potrebbe ancora crescere concretamente l’idroelettrico. Già avere una produzione doppia rispetto all’attuale sarebbe un grande risultato e corrisponderebbe a circa 1 TWyr rispetto ai 3-4 TWyr indicati nel grafico.
Per una fonte giovane e con una grande base di risorse come il solare possiamo anche abbozzare qualche calcolo un po’ più ragionato, considerando che tali risorse (la radiazione solare) sono diffuse abbastanza uniformemente sul territorio e quindi è più facile stabilire una correlazione tra produzione e superficie sfruttata. Le risorse idriche, invece, sono influenzate da diversi livelli di piovosità e dipendono dall’orografia del terreno che tende a “concentrare” le risorse in luoghi specifici.
Ipotizzando di utilizzare la risorsa solare solo con la tecnologia fotovoltaica, come detto in precedenza l’efficienza del processo sarebbe intorno al 14% e quindi i 23.000 TWyr indicati nel grafico si ridurrebbero a 3.220 TWyr di produzione potenziale. E’ una enormità ma questa è l’energia ottenibile ricoprendo di pannelli l’intera superficie delle terre emerse. In termini concreti, sfruttando sia i tetti degli edifici che i terreni, sarebbe verosimile raggiungere coperture solo dell’ordine di qualche decimale di punto percentuale. Ad esempio, una copertura dello 0,2% sarebbe attualmente un obiettivo ambizioso ma realizzabile. Significa che la produzione fotovoltaica globale potrebbe essere dell’ordine di 6,4 TWyr, ovvero 56.064 TWh (attualmente, nel 2020, è di solo 855,7 TWh). Ve detto che qui si presuppone una copertura suddivisa uniformemente sul territorio. In un contesto reale sarebbe logico sfruttare maggiormente le aree più produttive e questo a parità di superficie occupata garantirebbe una produzione maggiore (o consentirebbe di occupare meno superficie a parità di produzione).
E’ evidente, quindi, che nel solare è impossibile raggiungere rapporti tra l’energia concretamente ottenibile e potenziale paragonabili alla fonte idrica, questo proprio perché la risorsa solare è diffusa, diluita sul territorio, mentre la risorsa idrica è ben più concentrata e quindi più facile da sfruttare. Nonostante ciò, con solo lo 0,2% del potenziale, il fotovoltaico garantirebbe una produzione ben più elevata della fonte idrica. Per queste ragioni la fonte solare in prospettiva è probabilmente destinata ad assumere un ruolo centrale in un futuro sistema energetico basato su rinnovabili.
Da notare che la produzione solare potenziale indicata nel grafico riguarda sicuramente la radiazione solare incidente la superficie del terreno, ovvero ipotizzando pannelli fotovoltaici in posizione orizzontale. Nella realtà, soprattutto negli impianti a terra, i pannelli sono disposti con orientamento e inclinazione ideali verso il sole, in modo da incrementare la produttività. Questo genera però la necessità di evitare gli ombreggiamenti e quindi porta a posizionare i pannelli più lontani tra loro. La necessità di maggiore spazio è in parte compensata dalla maggiore produttività, quindi in termini di energia per terreno occupato alla fine la differenza tra orizzontale e inclinato non è molta ma rimane comunque a favore della posizione orizzontale.
Per quanto riguarda l’eolico, fare una stima della produzione concretamente ottenibile a partire dal potenziale è molto difficile come visto per la fonte idrica. Il vento è una risorsa diffusa sul territorio, come la solare, ma rispetto a questa è più concentrata in alcune zone, comunque molto meno rispetto alle risorse idriche. La capacità di sfruttare il potenziale produttivo dovrebbe quindi essere superiore al solare ma ben più bassa rispetto alla fonte idrica.
In zone dove la fonte eolica è stata sfruttata già da tempo, come in Europa, la produzione ha già superato quella tradizionale idrica, e non sembra rallentare, considerando anche la possibilità di poter sfruttare gli impianti marini.
L’impressione è quindi che anche a livello globale in futuro la fonte eolica possa agevolmente superare quella idrica. Per coerenza, visto che per la fonte idrica era stata ipotizzata una produzione futura di 1 TWyr, per la fonte eolica si può ipotizzare una produzione di circa 1,5 TWyr, ovvero 13.140 TWh. Tale produzione equivale ad uno sfruttamento del potenziale del 2,1% prendendo come riferimento il valore di 70 TWyr indicati nel grafico.
Queste stime sulla produzione ottenibile in un contesto ipotetico e futuribile ma comunque verosimile fatte per la fonte idrica, solare ed eolica servono più che altro per dimostrare che la produzione rinnovabile non è soverchiante come può sembrare dal grafico. Sommando le tre stime fatte (1 TWyr, 6,4 TWyr e 1,5 TWyr) otteniamo un valore di 8,9 TWyr. Le altre fonti rinnovabili aggiungerebbero ben poco altro.
Come detto il consumo di energia primaria globale aggiornato al 2019 sarebbe di 18 TWyr. Bisogna considerare, però, che una buona parte di questi sono riferiti ad energia termica che non viene concretamente utilizzata, mentre nei calcoli precedenti si fa riferimento ad un valore diretto di “preziosa” energia elettrica.
Nel settore elettrico in media si può stimare che una centrale termoelettrica abbia un’efficienza del 40-50%, ovvero il 50-60% dell’energia termica viene dispersa nell’ambiente. Spesso nelle statistiche anche l’energia prodotta in altri modi viene “convertita” come se fosse prodotta da centrali termoelettriche (vedi sempre quanto scritto a proposito del grafico sul consumo di energia primaria). Dividendo semplicemente i consumi globali di energia elettrica del 2019 di 27.000 TWh per 0,40 (il 40% di efficienza media) si può ottenere una stima approssimata dell’incidenza del settore elettrico sui consumi primari (67.500 TWh, ovvero 7,7 TWyr). Di questi il 60% è energia non utilizzata, quindi circa 4,6 TWyr possono essere sottratti dai consumi totali di energia primaria se io ho la possibilità di fornire direttamente energia elettrica rinnovabile.
In prospettiva sarebbe possibile sottrarre altra energia con l’elettrificazione del settore trasporti, visto che i motori a combustione interna hanno efficienze molto basse.
Ad ogni modo, considerando che qui si è ipotizzato un contesto futuro, bisogna tener conto che i consumi cresceranno rispetto ai livelli attuali, principalmente a causa dello sviluppo dei paesi emergenti. Inoltre, nel conto dell’energia rinnovabile dovranno essere anche considerate le perdite dovute all’utilizzo di sistemi di accumulo (necessari per gestire fonti di energia aleatorie). In definitiva, la produzione di energia rinnovabile, così come stimata, non sarebbe in grado di coprire completamente i consumi globali di energia primaria. Raggiungere quest’obiettivo è quindi più difficile di come sembra osservando il grafico. Rimane comunque un obiettivo possibile in funzione proprio dell’enorme produzione potenziale, soprattutto del solare.
A tal proposito il grafico può essere utile a capire come mai tra le varie nuove fonti rinnovabili proprio solare ed eolico sono quelle che hanno avuto più successo. Le altre fonti, pur offrendo spesso soluzioni tecnologiche interessanti, non hanno un sufficiente potenziale produttivo da sfruttare. In sostanza sono fonti che anche investendo molto in miglioramenti tecnologici sono destinate comunque a rimanere “di nicchia”.
Se il potenziale produttivo delle fonti rinnovabili va quindi preso con le molle, anche il valore delle riserve dei combustibili fossili e uranio a regola andrebbe ridimensionato. Infatti, avvicinandosi all’esaurimento di tali risorse, probabilmente la loro estrazione diventerebbe più difficile e costosa al punto da non renderla praticabile. Questo aspetto viene però compensato dal fatto che il valore delle riserve disponibili tende ad incrementarsi nel tempo in funzione della scoperta di nuovi giacimenti. Ad esempio, nel periodo 2011-2020 le riserve di petrolio, nonostante i consumi, si sono incrementate del 3,4% (vedi statistiche della BP).
Tutto ciò rende il dato delle riserve totali di combustibili fossili e uranio più solido e concreto rispetto al dato delle produzioni rinnovabili potenziali (sempre tenendo conto che si tratta di energia termica, comunque). E’ difficile anche dire in quanto tempo possono esaurirsi tali riserve proprio a causa della possibile scoperta di nuovi giacimenti. Se tali scoperte cessassero completamente le riserve di petrolio si esaurirebbero in 40,4 anni, quelle di gas naturale in 49,4 anni, quelle di carbone in 184,5 anni (considerando i consumi del 2019). Sono dati che comunque fanno riflettere.
Vale infine la pena notare come la riserva di energia derivante da uranio sia nettamente inferiore a quella della somma delle riserve fossili. Se già l’utilizzo dei combustibili fossili per produrre energia è una strada che, prima o poi, conduce ad un vicolo cieco, pensare di utilizzare il nucleare come fonte alternativa non cambia le cose, anzi, le peggiora. Una soluzione definitiva al problema dell’approvvigionamento di energia per il genere umano passa inevitabilmente dall’utilizzo di fonti rinnovabili.