How’s Energy doing? / 3 Aok, if the price’s right.

Let’s continue the discourse on what kind of energy can power our ecosystem, in the present and future.

(traduzione in italiano in fondo al post)

Can we afford a greener planet? One could reverse the question: can we in fact afford burning all existing carbon-based fuel and still breathe air?

But let us stick to the main question. Liking a technology is not a good enough reason to switch source of energy. It also requires affordable costs. Companies will not move towards producing renewable energy if they cannot profit from it. Governments will be reluctant to move if the transition involves higher costs, taxes, possibly losing the next elections.

Offsetting higher costs against a better environment, healthier cities, is a hard sell if the stakeholders (and shareholders) are losing money. Hence it is important to grasp what are the main costs involved in the energy transition.

I have tried to put together the main ballpark figures, so to have an idea of what “green” energy costs are vs fossil fuel-based energy. But what does “cost” mean?

First, I say, we can look at the cost of building the plant that will generate energy. This initial capex is very different, as different are the engineering and material requirements for each type of energy system. The figures you will see here below, I have to stress once again, are indicative. Costs for building a dam, per megawatt, will depend on size, geographical location and geology. They will also need to account for relocating people, families, possibly entire communities. A wind farm will be more or less expensive to build also depending on topography and availability of roads for the transportation of very large items. Looking at some of the more recent projects I have been involved with I can say that some of the solar and wind installation costs, depending on location and scale, can be as low as half of what is listed here below.

This table provides an indication on the Capex per kW installed for several different sources of energy, in decreasing order. From very costly offshore wind installations (everything “offshore” is always going to have a high price tag) to by now relatively cheap solar PV parks (costs of panels have dropped to a fraction of what they were 15 years ago), which can match the cost of fossil fuel plants. But there’s a catch. A gas plant will run all the time. Renewables depend on weather and on the day/night cycle. So, in order to compensate for that, storage systems should be added, but the overall costs in that case may double or even triple.

However I believe this number, the pure cost of installation, is incomplete, because it does not take into account another very important parameter: time.

The time it takes to build a power plant matters. The longer it is, the longer it takes to recover the investment. And here the difference can be striking. Some of these solutions, solar and wind in particular, enable to start producing energy before the installation of the plant is completed. This can be very relevant, when compared with nuclear, where there is no way any atoms can be bombarded before everything is thoroughly ready and tested. Being able to start recovering the investment early can be critical.

This estimate shows that different energy sources can respond to different requirements, depending on how urgent the need for energy is. And of course, the choice also depends on the scale needed.

Large countries can build energy transition programs based on nuclear, looking at a 10+ years perspective. This is based on the fact that they already have the energy they need. On the other end of the spectrum, developing countries with incomplete infrastructures can build microgrid systems based on fast-built wind and solar capacity, scaled as needed, compensated by storage. Again, we don’t have a winner, just the opportunity to be smart.

In any case, what is going to make a difference, in the long run, at country or continental scale, is the overall cost of energy, which comprises building, maintenance and all capex and opex items and margins. Comparing different energy sources involves normalizing some of the parameters and can be done through the calculated value that is called Levelized Cost of Energy (LCOE).

Such figure is expressed in $/kWh and it is meant to be a “neutral” figure, removing any subsidies which would alter the relative weight of a specific source of energy due to a government’s political decisions.

The figures in this chart are from the US EIA (Energy Information Administration) and they are publicly available.

They indicate a trend that we all would have expected but it is good to see it confirmed. Economy of scale is driving non-fossil fuel energy sources (wind and solar PV) towards competitive costs. Meaning markets and consumers do not need to be penalized economically for choosing green. In specific circumstances the so-called grid parity has been achieved.

We can also note some specific outliers: nuclear has not become significantly cheaper over time. I guess some disruptive technology will need to surface to make that happen. Offshore wind is also still quite expensive, despite halving in 8 years. And concentrated solar seems to be the most expensive amongst the common sources of energy. For some reason the EIA does not seem to publish figures beyond 2016, I imagine that not many large CSP solar farms have been put online since, but I am not sure.

Coal plants are also disappearing from the EIA analysis in recent years, despite still being part of the backbone of power production worldwide.

So where does this leave us?

Hopefully with some ballpark idea of what we are talking about when we compare different energy options, knowing that preconceptions are part experience of the past, and part ignorance of the present.

Traduzione:

Come sta l’energia? / 3

Ok, se il prezzo è giusto.

 

Continuiamo il discorso sul tipo di energia che può alimentare il nostro ecosistema, oggi e nel futuro.

Possiamo permetterci un pianeta più pulito? Potremmo anche rovesciare la domanda: possiamo permetterci di bruciare tutti i combustibili fossili che ci sono, e continuare a respirare normalmente?

Ma torniamo alla domanda iniziale. Il fatto che una tecnologia ci piaccia non è una ragione sufficiente per cambiare fonti energetiche. Ci vuole anche un costo ragionevole. Le aziende non passeranno a produrre energia rinnovabile se non possono trarne un guadagno. I governi esiteranno a muoversi se questa transizione significa costi più alti, tasse, e magari perdere le prossime elezioni.  

Accettare costi più alti in cambio di un ambiente più pulito, città più sane, resta difficile se chi è coinvolto (stakeholders e shareholders) ci perde. Quindi è importante capire bene quali siano i principali costi coinvolti nella transizione energetica.

Ho cercato di mettere insieme le cifre principali, in modo da avere un’idea di quanto costa l’energia “”verde” rispetto a quella da combustibili fossili. Ma cosa significa “costo”?

Per prima cosa, guardiamo a quanto costa costruire l’impianto che dovrà generare l’energia. Questo Capex iniziale può variare molto, dato che il lavoro e i materiali richiesti variano molto da un sistema di produzione all’altro. Le cifre che presento più avanti, lo sottolineo ancora, sono indicative. Il costo di costruire una diga, per esempio, calcolato per megawatt installato, varierà a seconda delle dimensioni, della posizione geografica, della geologia. E sarà influenzato anche dalla necessità di spostare persone, famiglie, magari intere comunità. Un parco eolico a sua volta sarà più o meno costoso anche a seconda della topografia e dalla presenza di strade che permettano il trasporto di componenti molto grandi. In realtà, rispetto alle cifre pubblicate, posso dire che in recenti progetti solari e eolici in cui sono stato coinvolto, il costo di installazione può essere anche la metà di quello presentato nelle cifre qui sotto.

prima tabella

La tabella fornisce una indicazione riguardo al Capex per megawatt installato per diverse fonti energetiche, in ordine decrescente. Si passa dall’installazione di impianti eolici offshore, molto costosi (tutto quello che è offshore costa di più) alle ormai piuttosto economiche grandi installazioni fotovoltaiche (il costo dei pannelli solari è crollato rispetto a quello che era solo 15 anni fa), ormai al livello dei costi di costruzione delle centrali a gas. Ma c’è un caveat: Un impianto a gas funziona tutto il tempo. Eolico e Solare dipendono del meteo e dal ciclo giorno/notte. Quindi, per compensare tale irregolarità, possono essere aggiunti sistemi di stoccaggio dell’energia, batterie o accumulatori, che però possono raddoppiare o triplicare il costo.  

Tuttavia ritengo che questo numero, il puro costo di installazione, sia incompleto, perché non tiene conto di un altro importante parametro: il tempo.

Il tempo che ci vuole per costruire un impianto fa la differenza. Più tempo ci vuole, più lunghi sono I tempi di recupero dell’investimento iniziale. E la differenza può essere molto grande. Alcune delle soluzioni, solare e eolico in particolare, permettono di iniziare la produzione anche prima che l’impianto sia completato. Situazione del tutto diversa rispetto, per esempio, al nucleare, laddove non c’è modo di iniziare a bombardare atomi prima che tutto il sistema sia stato completamente testato e collaudato. Ecco, la possibilità di iniziare a recuperare i costi in tempi rapidi può essere decisiva.

seconda figura

Questa stima mostra anche che diverse fonti di energia possono rispondere a esigenze diverse, a seconda di quanto urgente sia il bisogno di energia. E anche a seconda della scala richiesta.

Grandi paesi sviluppati possono per esempio impostare la loro transizione energetica pensando al nucleare, guardando a prospettive decennali. Sulla base del fatto che producono già l’energia che hanno bisogno. All’altro estremo si trovano i paesi ancora in via di sviluppo, con infrastrutture energetiche incomplete, che possono puntare a costruire sistemi decentralizzati (microgrids) basati su centrali eoliche e solari di rapida costruzione, alla scala necessaria, integrate con sistemi di accumulo. Anche in questo caso non c’è un vincitore, solo l’opportunità di fare scelte intelligenti.

In ogni caso, a lungo termine quello che farà la differenza a livello di paesi o di continenti è il costo totale dell’energia, che comprende costruzione, manutenzione, Capex e Opex insieme, e i margini operativi. Il parametro utilizzato per fare questa comparazione si chiama Costo “Livellato” dell’Energia (in inglese Levelized Cost of Energy o LCOE).

Questa cifra è espresso in dollari per chilowattora ($/kWh) ed è usata come valore “neutrale”, che rimuove sussidi di vario tipo che alterano il “peso” di una fonte energetica rispetto a un'altra per motivi legati alle politiche governative.

terza figura (LCOE)

Le cifre usate per questo diagramma sono state prese dalla EIA (Energy Information Administration) statunitense e sono pubbliche.

Indicano un trend che tutti ci saremmo aspettati ma che è un bene vedere confermato. L’economia di scala sta portando le fonti di energia rinnovabili (solare e eolico) verso costi competitivi. Ovvero i mercati e i consumatori non devono essere penalizzati economicamente per le loro scelte “verdi”. In determinate circostanze è stata già raggiunta quella che si grid parity ovvero il costo è uguale a quello delle centrali a gas.

Ci sono anche alcune fonti che non seguono il trend: il nucleare non è diventato più economico con il tempo. Credo che ci vorrà qualche importante nuova scoperta tecnologica perché questo succeda. Anche l’eolico offshore è rimasto piuttosto costoso, nonostante i suoi costi siano dimezzati in soli 8 anni. E il solare a concentrazione (detto CSP, quello con gli specchi parabolici) rimane la più costosa tra le fonti di energia più diffuse. Per qualche ragione la EIA non ha pubblicato cifre dopo il 2016 rispetto al CSP, forse perché in anni recenti non sono state costruite nuove grandi centrali CSP, ma non ne sono certo.

Gli impianti a carbone stanno progressivamente sparendo dall’analisi della EIA in anni recenti, sebbene facciano ancora parte della spina dorsale della produzione energetica mondiale.

E quindi? Adesso cosa ce ne facciamo con queste informazioni?

Sperabilmente, abbiamo adesso una idea realistica di come comparare diverse fonti di energia, coscienti del fatto che i preconcetti sono fatti in parte dell’esperienza del passato e in parte dell’ignoranza del presente.