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.