How’s Energy doing? / 2 Times they are a-changing.

 (traduzione in italiano in fondo all'articolo)

Yes they are. It is often difficult to admit, but they do, all the time.

We all carry our bias, and it is often originated by things that we know, or we think we know, or used to know, however, if we do actually make the effort and look over things after a while, we’ll find they’ve changed.

One of the things I have seen changing in my adult life is the scale of renewable energy power plants.

Before I started looking into the matter, they were interesting experiments, for what I knew. Then in the early 2000s, it started becoming clear that renewable energy was indeed an industry, not a lab experiment, and that size mattered.

In 2005, wind turbines were becoming a common sight in many countries across Europe. You could see them in clusters of up to a dozen, or even more.

However, as we said, size matters. These majestic, slow turning 100-meter tall mills, carried a power of approximately 1 Megawatt each. Which is significant, compared to our daily usage (that is enough to power around 300 homes), but then, if compared to, say, a nuclear reactor, you realized that it took 500 of these turbines to generate the same output. And many more, in fact, installed in different locations and connected to the same grid, considering that wind does not blow all the time.

So, until ten-fifteen years ago, scale was a problem for most renewable solutions.

I did work out, back then, the below chart, which showed what was the scale of installed power of the main power plants:

The fossil sources of energy were all utilized in large utility-scale plants and had been for decades. So was nuclear and hydro. I even added the then fledgling ITER fusion project which is now coming together. However, most of the renewable power plants lacked the scale needed to at least show the technological capability to supply the amounts of energy our civilization needs. This was due to a mixture of cost, equipment availability, industrial output limitations.

But things, they have a-changed. Economy of scale, political commitment, technology, have pushed the envelope further. I have done again the same research in the past months, to find out this:

By now, most sources of energy can be deployed in power plants which have the scale of existing, massive fossil-fuel power plants.

Please, I am sure you may be aware of plants larger than 1000 MW of installed power. Either planned or under construction or operating. That is fine, but not the point. The point is that we are there now, in terms of size. It has been done.

Myself I have worked at 100 MW solar PV projects recently, and no stakeholder or investor involved ever questioned the technical feasibility.

By now, some of the players working with energy sources have scaled up their projects by 2 or even 3 orders of magnitude, in a decade. And only offshore wind, due to costs remaining quite high, have not yet been utilized for plants the same size as the other technologies.

So, now that we know it is feasible, I guess the next question is: are large, utility-scale renewable energy plants worth building and using? And which ones are “better”?

This is a massive question, and it needs to be responded to, because there are several aspects into this: cost, efficiency, environmental impacts. All these do matter, and we are all hard-nosed enough to not be fascinated by the mere idea of a “green energy”, right?

The most important parameter for anyone who has a scientific-technical background is: does it work? Maybe now it may seem a little late, after decades of development of these technology, but it is a question that a) still gets rather different responses and b) changes over time, with technology development, with scale, and needs to be reviewed case by case.

The main parameter here is the one called EROEI (Energy Returned Over Energy Introduced) or, similarly, EROI (Energy Returned Over Investment), as it has most recently been shortened. This is the main point, really. In short, if producing energy in a certain way involves an input (in energy or resources) which is higher than the resulting produced energy, then the ratio is below 1 and it’s not worth it.

I am unable to do these calculations by myself. When measuring the EROI of a power plant, the parameters to be considered are many and complex. And in fact, such calculation requires invariably, at some point, an arbitrary decision to cut a line where we decide that anything beyond that line will not be accounted for. Without that, we would need to account for a whole ecosystem, which is very impractical.

This leads to different answers, as mentioned before. And since we are not selling anything here, we will present a range of results, trying to encompass the results obtained by several studies. I chose them looking at a diverse range of authors, however I limited my research to a certain number, since I also have a day job. Anyway, the chart here below reports a range of EROEI that encompasses the main studies I reviewed:

EROEI values in some case cover a rather wide range. This variability is primarily related to size, as the economy of scale functions also in terms of energy. But that is not the only parameter. Geography, geology, technology type, infrastructures, materials, all play a role in determining the EROEI in each case.

The main point here I would say is to have a general idea of what is the energy net output one can expect from a power generation process.

Again, there are numerous studies on the subject, and it is possible that others have different figures, or have experienced results outside of the envelopes indicated here. This is an overview based on information that is constantly evolving.

There are other items to take into considerations. Authors seem to converge on the idea that the higher net output comes from hydroelectric plants (the larger, the higher EROEI). That is fine. But can a company, or a country, plan to expand its green energy output based on that? There are only so many valleys and so much water available, and the environmental impact is massive in terms of loss of land and possibly social disruption. Wind energy seems to have a larger growth potential and a similarly high EROEI ratio.

On the other hand, biomass energy seems to be the most critical. Positive output (>1) will depend on size and technology, however other parameters are at play, such as possible recycling of waste (a process called Waste-To-Energy), which can make this process worthwhile. It is never simple. 

Also “traditional” gas-derived electricity has a variable EROEI, based largely on the effort needed to extract it. Easy shallow reservoirs on land near existing facilities, differ from deepwater oceanic zones in remote countries, or from unconventional shale gas with its forceful and controversial extraction process.

So, with regards to the question: can we do without oil and gas right now? Clearly not. But the technology, industrial and energy processes needed to do that, over time, are now here. Humanity could not say that 15 years ago. 

traduzione

How’s Energy doing? / 2

“Times they are a-changing” (Bob Dylan).

Si, I tempi cambiano. Spesso è difficile ammetterlo, ma cambiano continuamente.

Abbiamo tutti i nostri preconcetti, spesso originati da cose che sappiamo, o che crediamo di sapere, o che sapevamo una volta; tuttavia, se facciamo lo sforzo di verificare, dopo un po’, ci accorgiamo che lo cose sono cambiate.

Una delle cose che ho visto cambiare durante il corso della mia vita adulta è la scala degli impianti di energia rinnovabile.

Prima che iniziassi a interessarmene, erano interessanti esperimenti, per quanto ne sapevo. Poi, nei primi anni duemila, è emerso che l’energia rinnovabile era effettivamente una industria, non un esperimento da laboratorio, e che le dimensioni avevano la loro importanza,

Nel 2005, le pale eoliche iniziavano a diventare un paesaggio comune in giro per l’Europa, Si potevano vedere a gruppi di qualche dozzina.

Ma le dimensioni contano: questi magnifici mulini, alti cento metri, avevano una potenza installata di circa un MW l’uno. Che non è poco, nell’uso quotidiano (è abbastanz per alimentare cento abitazioni), ma, se comparato, diciamo, con un reattore nucleare, ci rendiamo conte che ce ne vogliono 500 di quelle pale eoliche per ottenere la stessa potenza. E infatti ce ne vogliono molte di più, e installate in luoghi diversi ma collegate alla stessa rete, dato che il vento soffia in modo irregolare.

Fino a 15 anni fa la scala era un problema per la maggior parte delle soluzioni rinnovabili.  

Ai tempi realizzai il grafico qui sotto, che mostrava le dimensioni della Potenza installata nei vari tipi di impianti.

(primo grafico)

Le fonti fossili forniscono energia in grandi impianti utility-scale da decenni. Questo vale anche per il nucleare e l’idroelettrico.

Ho anche aggiunto le dimensioni del progetto ITER di fusione nucleare, la cui costruzione iniziava in quegli anni.

Però la maggior parte degli impianti rinnovabili non avevano le dimensioni necessarie per mostrare la possibilità tecnica di fornire la quantità di energia necessaria alla nostra civilizzazione. Questo era legato a problemi di costi, di disponibilità di materiali e componenti, e di limiti nella produzione industriale.

Ma le cose cambiano, come dice Bob Dylan. L’economia di scala, le decisioni politiche, la tecnologia, hanno spostato i limiti di quello che si può fare più in là. Ho rifatto il mio grafico, negli scorsi mesi, e adesso è così:

(secondo grafico)

Adesso, la maggior parte delle fonti di energia può essere installata in impianti che arrivano alla scala delle grandi centrali a combustibili fossili.

Sono sicuro che alcuni di voi conoscano impianti più grandi di 1000 MW di potenza installata, in fase di pianificazione o anche già costruiti. Va bene, ma non è questo il punto. Il punto è che ci siamo arrivati, in termini di dimensioni.

Io stesso ho lavorato a un progetto di un impianto solare da 100 MW. E durante lo sviluppo del progetto mai nessuno coinvolto a qualunque titolo ha messo in dubbio la fattibilità tecnica dell’impianto.  

A questo punto, i progetti rinnovabili sono cresciuti di due o anche tre ordini di grandezza, in dieci anni. Solo l’eolico offshore, a causa dei costi che rimangono alti. Non è ancora stato utilizzato in impianti delle stesse dimensioni delle altre tecnologie rinnovabili.

 Quindi, ora che sappiamo che è fattibile, la domanda successiva è: vale dunque la pena di costruire impianti a energia rinnovabile di dimensioni enormi? E quali sono “migliori”?

E’ una domanda di importanza enorme, a cui bisogna rispondere, perché ci sono una serie di aspetti da considerare: costi, efficienza, impatto ambientale. Tutto ciò conta, e siamo tutti scienziati abbastanza seri da non rimanere semplicemente affascinati dal concetto di “energia verde”, vero?

Il parametro più importante per chiunque abbia un background tecnico-scientifico è: ma funziona? Potrebbe sembrare un po’ tardi per farsi questa domanda, dopo decenni di sviluppo di queste tecnologie, ma è una domanda che a) riceve spesso risposte molto diverse e b) continua a cambiare con il tempo, con la scala dei progetti, e deve essere affrontata caso per caso.

Il principale parametro di coi tenere conto si chiama, in inglese EROEI (Energy Returned Over Energy Introduced) ovvero il rapporto tra la quantità di energia introdotta nel sistema e la quantità emessa poi dal sistema. Questo è veramente il fulcro. Se per produrre una quantità di energia bisogna immetterne nell’impianto di più, allora il rapporto è inferiore a uno e non ne vale la pena.

Io personalmente non sono in grado di calcolare questo parametro. Quando lo si calcola, i fattori da considerare sono molti e complessi. Infatti il calcolo dell’EROEI comporta sempre, a un certo punto, la necessità di tirare una riga e decidere arbitrariamente che tutto ciò che si trova oltre quella linea non lo si calcola. Altrimenti bisognerebbe tenere conto dell’intero ecosistema, e ciò è estremamente complicato.

Quindi si possono ottenere risposte diverse. Ma dato che qui non stiamo cercando di vendere niente, presentiamo i risultati sottoforma di range, cercando di riportare insieme risultati ottenuti da studi diversi. Li ho scelti in un gruppo di autori, abbastanza ampio anche se a un certo punto mi sono dovuto fermare, dato che ho anche un lavoro. Comunque il grafico qui sotto riporta le EROEI risultanti da questi studi:

(terzo grafico)

I valori di EROEI in certi casi sono spalmati su un range abbastanza ampio. E’ normale, questa variabilità dipende molto dalle dimensioni, dato che l’economia di scala funziona anche per l’energia. Ma non è questo il solo parametro. Geografia, geologia, tecnologie diverse, infrastrutture presenti, materiali usati, tutto ciò influisce sul valore dell’EROEI in ogni singolo progetto.

Sottolineo che il punto qui è di arrivare a una idea di massima di quale tipo di output energetico ci si può aspettare da diversi processi di produzione.

Anche in questo caso ci sono numerosi studi a riguardo, ed è possibile che abbiano dati in parte differenti. Questa è una analisi che si basa su dati in continua evoluzione.

Ci sono alter cose da tenere in considerazione. Molti autori convergono nel ritenere che il massimo EROEI lo si ottiene dagli impianti idroelettrici (soprattutto quelli grandi). E va bene. MA può un paese o una azienda impostare la propria strategia “green” su questa tecnologia? In fondo ci sono solo un certo numero di valli, e una data quantità di acqua a disposizione, e l’impatto ambientale è pesante, in termini di perdita di suolo, e anche di disagi alla popolazione. L’energia eolica d’altro canto sembra avere un potenziale di crescita maggiore, e una ratio EROEI abbastanza alta.

Dall’altro lato, l’energia da biomasse sembra essere in una situazione critica. Si ha un output positivo (>1) solo utilizzando determinate tecnologie, a determinate scale. Però bisogna tenere conto anche di alrte cose, per esempio l’eliminazione di rifiuti (il processo chiamato waste-to-energy) che può rendere il processo proficuo. E’ chiaro che non è mai semplice fare queste comparazioni.  

Anche l’elettricità dalle centrali termiche a gas ha un EROEI alto, che dipende soprattutto da quanto è facile (o arduo) estrarre il gas: un reservoir relativamente superficiale, situato vicino a infrastrutture di produzione già esistenti, è molto diverso da un ritrovamento deepwater in zona oceanica, in un paese remoto, o dal gas di scisto, che comporta un processo di estrazione molto forzoso e controverso (il noto fracking).

Quindi, tornando alla domanda: possiamo farcela senza gas e petrolio, oggi? La risposta è, chiaramente, no. Ma le tecnologie e i processi industriali necessari per farlo, in un lasso di tempo, sono già qui. L’umanità non poteva affermare di essere in grado di farlo anche solo 15 anni fa.

 

How’s Energy doing?/1 - Big questions and two simple charts (to start with).

 (traduzione in italiano in fondo all'articolo)

How can we abandon coal, oil, and gas? Is it a realistic goal? How long will it take? How much will it cost? How renewable are “renewable” sources, really? Do they work? How much of those do we need?

These questions appear simple. However, the answers are rather complex. Everything is complex when you are 7 billion people.

We can start to address these questions based on two guiding ideas:

1)      Humanity depends excessively on energy produced burning fossil fuels.

2)      The reason why this dependence is toxic is the following: intensive coal and hydrocarbons burning causes pollution, global warming, and destruction of natural resources at an unsustainable rate.

These two points have so far been proven by countless studies and scientific papers and they are not discussed here.

If you are reading this and you disagree with these base ideas, maybe the information we will review will help you updating your knowledge. Or maybe this is simply not your cup of tea.

So, how do we “decarbonize”?

I guess we need to start looking at the facts. How much energy we use, and which kind of energy?

First chart: how much energy. Here’s a chart showing how energy consumption has evolved in 40 years around the world. The data source is the EIA (the US Energy Information Administration).

Instead of a single curve with the world consumption, they have split the energy consumption by continents (their database also shows country by country figures).

The overall figure (presented in Quads, which are equivalent to 10¹⁵ BTUs) shows that, in 40 years, global energy consumption has grown constantly and, by now, doubled. It only dropped twice: in the period 1991-1992, during the collapse of the soviet system, and in 2009, during the global financial crisis. What is happening now, with Covid-19, will certainly be the third drop, but the 2020 data are not available yet, of course.

Today we are just short of 600 Quads of global, yearly energy usage. Corresponding to 130 thousand TWh (Terawatt hour) per year, if you are more comfortable with the metric system (It’s still too big a number to appreciate anyway).

If we look at the overall continental trends, we see a clear one: most continents or regions show, over time, a stable, progressively growing energy consumption, with some exceptions:

Eurasia (Russia plus Caucasus and central Asia): due to the mentioned collapse of the communist political system.

Asia, or, mainly, China and India, with a rather steep growth. The double-digit yearly growth these two economies had in the past twenty years feeds off large amounts of energy. Mostly coal, at least in the first part, being abundant and cheap. We will see in the next chart what happened when the Chinese government realized that it was becoming impossible to breathe, in their fast-growing cities.

Europe and north America are the slowest-growing energy users. Not surprisingly, since these regions were already strongly developed before 1980.

So now that we have an idea, or a confirmation on how much energy we use, let’s have a look at which sources it is coming from.

The chart below shows the global energy consumption in the past 50 years, broken down by the main sources of energy.

The chart is available online in a BP paper from 2019: BP energy review 2019 .

It is another simple chart which shows two main things:

Fossil fuels are still dominant. Despite progress, much in the same way the XX century was actually the century of coal (and the XIX century was dominated by burning wood), this new century, so far, has been the century of oil, and will be for a while.

Look at the relative size. We can appreciate how minor is, globally, the contribution of nuclear and renewables.

We should also note that the overall amount of gas and oil that we are extracting, as a species, is quantitatively growing every year, despite the remarkable progress in renewable energy installation.

Two further details:

Oil: within the general growth trend, there are two “slumps” in the curve, both related to geopolitical issues. The first is the oil embargo organized by the OPEC countries in 73-74. The second, in 1978, was caused by the Iranian revolution.  

Coal: the acceleration seen from the early 2000’ is largely due to China’s economic explosion. Similarly, the drop in recent years is related to China’s government curbing production and shutting down power stations, with a partial conversion to wind and solar.

So, just to wrap up this first overview, I will try to make everybody happy.

First, the oil patch. It looks like if the renewable sources are to take over from hydrocarbons, it’s going to take time. Decades, at best. Covid economy is the main problem for the industry, not the renewables.

Second, the green energy industry. I have been following its growth for a good 15 years. Back then, in 2005, it barely showed in the stats. In fact, removing nuclear and hydro from the green energy account, anything else was in the zero-point-something realm. But in 15 years the energy produced and consumed from wind and solar has reached at least 7% of the global output. It is a phenomenal growth rate. I could show that with a pie chart, but who needs another pie chart? And investments are going in that direction. So keep it up, guys.

So everyone should be happy. Except of course many of us are stuck at home, many have lost their jobs, and a lot of things will never be the same anymore.

A change in the source of energy, although necessary, will not be sufficient to manage this transformation. Something deeper will need to take place.

Come sta l’energia?

Grandi domande e due grafici facili (per cominciare).

Come possiamo abbandonare carbone, petrolio e gas? E’ un progetto realistico? Quanto tempo ci vorrà? Quanto costerà? E poi le energie rinnovabili lo sono davvero? E funzionano? Quante ne servono?

Queste domande sono semplici. Sono le risposte che sono complesse. Tutto è complesso quando sei in sette miliardi di persone.

Possiamo cominciare a occuparci di queste domande partendo da due idee di base:

1)      L’umanità dipende eccessivamente da energia ottenuta bruciando combustibili fossili.

2)      La ragione per cui questa dipendenza è tossica è la seguente: la combustione intensiva di carbone causa inquinamento atmosferico, riscaldamento globale e distruzione delle risorse naturali a un ritmo insostenibile.

Questi due punti sono stati fino ad oggi confermati da innumerevoli studi e articoli scientifici, e non sono in discussione qui.

Se state leggendo e non siete d’accordo con queste idee di base, forse le informazioni che forniremo vi serviranno da aggiornamento. O forse, semplicemente, questo non è un articolo che vi può interessare.

Quindi: come si “decarbonizza”?

Direi di iniziare a guardare ai fatti. Quanta energia utilizziamo, e che tipo di energia?

Primo grafico: ecco come il consumo di energia è evoluto nei passati 40 anni nel mondo. La fonte di questi dati è la EIA (the US Energy Information Administration).

Invece di una singola curva con il consumo energetico mondiale, hanno suddiviso i consumi per continenti (nella loro database ci sono anche i consumi dei singoli paesi).

(primo grafico)

I dati (l’unità di misura è il Quad che sono 100 mila miliardi di BTU – British Thermal Unit) mostrano che in 40 anni il consumo di energia globale è cresciuto costantemente e oggi è il doppio del 1980.

In realtà in due occasioni è diminuito: nel periodo 1991-92, con il collasso del sistema sovietico, e nel 2009, quando è scoppiata la bolla finanziaria. Quello che sta accadendo oggi, con il Covid-19, causerà una terza crisi, ma non sono ancora a disposizioni i dati 2020 naturalmente.

Oggi si utilizzano poco meno di 600 Quad all’anno, nel mondo. Il che corrisponde a 130 mila Terawattora all’anno, se preferiamo il sistema metrico (è comunque un numero troppo grande per poterlo apprezzare).

Se guardiamo ai trend dei vari continenti ne vediamo uno dominante: la maggior parte delle regioni mostra un consumo in crescita, progressiva e stabile, con alcune eccezioni:

 Eurasia (ovvero Russia, Caucaso e Asia Centrale): a causa del collasso del sistema sovietico menzionato prima.

Asia, o meglio, Cina e India soprattutto, che mostrano una crescita più rapida. Per anni hanno avuto tassi di crescita superiori al 10%, una crescita che si nutre di energia. Soprattutto dal carbone, almeno all’inizio, essendo disponibile in grandi quantità ed economico. Vedremo poi nel prossimo grafico cosa è successo quando il governo cinese si accorse che era diventato impossibile respirare nelle loro grandi città che crescevano furiosamente.

Europa e America sono quelle che crescono più lentamente. Ciò non sorprende dato che queste regioni erano già ampiamente sviluppate prima del 1980.

Quindi, or anche abbiamo un’idea, o una conferma di quanta energia usiamo, diamo un’occhiata alle principali fonti.

Il grafico sottostante mostra il consumo globale di energia negli ultimi 50 anni, diviso per tipo di fonte energetica.

(secondo grafico)

Questo grafico è preso da un documento online di BP pubblicato nel 2019: BP energy review 2019 .

E’ piuttosto semplice e mostra soprattutto due cose:

La prima è che I combustibili fossili sono ancora dominanti. Nonostante i progressi, più o meno nello stesso modo in cui il XX secolo è stato in realtà il secolo del carbone (e il  XIX secolo quello della legna come combustibile) il nuovo secolo è stato fino ad ora il secolo del petrolio, e continuerà ad esserlo per un pezzo.

Confrontate le curve. Possiamo capire quanto limitato sia il contributo di nucleare e rinnovabili.

Va notato anche che la quantità totale di gas e petrolio che stiamo consumando aumenta tutti gli anni, nonostante i notevoli progressi nella installazione di fonti di energia rinnovabili.

Altri due dettagli:

Il petrolio: nel trend generale che cresce vediamo due “gradini” in discesa, ambedue legati a problemi geopolitici. Il primo è l’embargo petrolifero dei paesi dell’OPEC nel ’73-’74. L’altro, nel 1978, fu causato dalla rivoluzione in Iran.

Il carbone: l’accelerazione che vediamo nei primi anni 2000 è in larga parte legata alla esplosione economica della Cina. Nello stesso modo, la decrescita in anni recenti è dovuta al governo cinese che ha tagliato la produzione, chiuso centrali, scegliendo una parziale conversione al solare e all’eolico.

Quindi, per riassumere questa prima panoramica, tutti dovrebbero essere contenti.

Per primi, i petrolieri: sembrerebbe che il giorno in cui e rinnovabili sostituiranno il petrolio sia ancora lontano. Decenni, come minimo. Il problema principale dell’industria petrolifera oggi è il Covid-19, non la concorrenza delle rinnovabili.  

Poi, l’industria della “green energy”: ho seguito la sua crescita negli ultimi 15 anni. Nel 2005 faceva fatica a comparire nelle statistiche. Infatti, se rimuoviamo nucleare e idroelettrico, tutto il resto messo insieme era nella zona dello zero virgola. Ma in 15 anni l’energia prodotta dal settore rinnovabile è arrivata al 7% della produzione mondiale di energia. Si tratta di una crescita fenomenale. Potrei mostrarla in un diagramma a torta, ma davvero vogliamo usare ancora i diagrammi a torta? E comunque gli investimenti vanno in quella direzione. Qunidi andate avanti così, ragazzi.

Quindi tutti contenti no? Beh, no. Molti di noi sono chiusi in casa, milioni hanno perso il lavoro, e molte cose non torneranno più come prima.

Un cambio nelle fonti di energia è necessario, ma non sarà sufficiente a gestire la trasformazione necessaria. Qualcosa di molto più profondo dovrà cambiare.