How’s Energy doing? / 5 Smart, thank you (segue trad. italiano)

 

Around the nuclear power station of Chernobyl there is a circular area of 30 km radius where almost no human lives. Actually, there are a few dozen people, mostly elderly loners who would not leave their place, scattered across 2,600 square km (1,000 sq miles).  Workers come and go to the power station, working shifts to monitor and maintain the concrete sarcophagus that was built (and re-built) around the molten core, following a specific monitored path in and out of the area. Other than that, the rest of the area is wilderness.

In crowded Europe, there are no other 1,000 square miles patches of inhabited land. You must go all the way to Siberia to find anything like it, in terms of lack of human beings.

Please bear with me, we will get to energy at some point.

So, what surprised most researchers, is that in this area wildlife has exploded. Of course, radiations do have an effect on the creatures living there. Birds often show smaller brains, albino animals are more frequent than elsewhere, and other health issues have been observed. Plants too are affected and not all species are able to stand the constant irradiation of radioactive isotopes.

However the remarkable point is this: contrary to what expected, animals not only have overrun the area, but they tend to be more abundant towards the center, where the exploded reactor sits, and not towards the perimeter, where another grave danger is present, which makes the animals shy away: humans.

If they must choose between deadly ionizing radiations and peaceful humans, wild animals choose uranium every day of the week.

This is an indication of something that should have been obvious all the way: if we want to have any chance of salvaging wildlife in an ecosystem which we have by now profoundly altered, the only effective way is simple: not being there.

We are not going to discuss here the many ways in which a damaged ecosystem affects human life, in the long run and in everyone’s daily life. There is a vast literature covering this depressing subject. We know that the present rate of extinction among mammals is at least 50 times higher than the background extinction rate. And the main reason is not climate change, it is humans removing their habitats. If this is another mass extinction, this time we are not the dinosaurs: we are the asteroid.

What is important, instead, is to understand that no conservation effort, as well-funded as can be, is going to make a significant difference if humans do not liberate part of the planet from their suffocating presence.

The only practical way to do that and still maintain a soon-to-be 10-billion strong civilization is for humans to concentrate in cities, liberating territory, for reforestation of just abandoning it to itself. Life breaks through, anyway.

Here we have good news and bad news: the good news is that it is already happening. 55% of humans by now have concentrated in cities, and the figure may near 70% by mid-century.

The bad news is that most of our cities are not sustainable. They cause enormous environmental pressure, they consume energy and pollute, and some of the largest ones are biological and social ticking bombs.  

We are seeing the exodus from farmland to the cities. It is indeed an exodus. It has happened over the past 500 years, and in recent times it has greatly accelerated. I will explain it with this simple chart from OurWorldInData, an Oxford based organization particularly good at extracting stats about human civilization.

Other information and charts from this organization show how the living standards, and wealth, are higher in cities and megacities than they are in rural areas, which is the main engine pushing people to move there. But how can we make such megacities sustainable?

Here we find help from the work of two people who have shown the way, independently from each other: both are Italian, one is an architect, the other is a biologist.

Stefano Boeri’s work is based on creating buildings and structures that are self-sustaining in terms of energy and that help reversing cities’ trend in terms of air pollution, thanks to the urban forestation that they bring.

The very famous Vertical Forest he built in Milan is of course a concept. The building is beautiful, it is non-polluting and self-sustained in terms of energy, but it is not affordable estate. Yet, he has demonstrated that cities can be built in a way that functions in terms of environmental and energy balance.

The Vertical Forest epitomizes the idea of smart building. Not only steel, glass, and concrete, like in standard buildings, not only plants and botanic expertise in their distribution around the facades, but also connectivity, IoT and automation of all the services. It is a window into the future, and this future better be very, very soon. There is no more separation between the energy sector and constructions, as this kind of structure can only be built by a symbiotic team where civil engineering, energy technology, advanced computing and biology cannot be separated.  

Needless to say, managing the power needs of a compact environment such as a city, compared to a disseminated system, is much more complex, however bound to be cheaper and more effective in the long run. Distance means dispersion, inevitably.

Stefano Mancuso, in turn, is a scientist, and has specialized in plant neurobiology. His book Plant Revolution is a compelling read, an eye-opener which I strongly recommend. In his work, Mancuso explains in very clear terms the fundamental difference between animal and plant life organization (and yes, plants do have a neurobiology).  The core difference is the centralization of functions which is typical of animal life. Not only animals, and therefore humans, have a strongly centralized and hierarchical biological organization, but also the social constructions of men, and even his computing system structures, follow the same blueprint. Such blueprint has some inherent inefficiencies, largely related to the decision process.

Mancuso presents the case for a different type of systemic organization, looking at what plants do. Plants utilize a decentralized system, which provides resilience, modularity, scalability, and requires cooperation more than it does competition. Such a system, apparently brainless, is still able to sense, remember, decide, and act. In a very effective way.

The system can be replicated and utilized to manage our increasingly complex energy needs. The centralized model was good for the one-producer-many consumers system, which is gradually being replaced by a new system made of big and large prosumers joined in a grid. We are already started going in that direction.

Smart energy applies to all its aspects. From an automated management of an energy production mix, to a grid that can handle flows in all directions and is supported by strategic storage systems, from buildings that talk to the grid to customers and users/producers empowered by contracts which put them on the same level with the main energy suppliers on the grid.

Is it possible that we have come to a point in the way we grow, as a technological society, where we need to look at an entirely different model, in order to survive, live, and thrive? If so, we must know how to do that and what it involves. We’ll get there in our next chat.

traduzione

Come sta l’energia? / 5 - Smart, grazie

 

Intorno alla centrale nucleare di Chernobyl c’è un’area con un raggio di 30 km, all’interno della quale non ci sono esseri umani. A dire il vero qualcuno ce n’è, poche dozzine di persone, per lo più anziano solitari che non vogliono staccarsi dalle loro casse, sparpagliati su 2600 chilometri quadrati. Ci sono poi gli addetti al controllo della centrale che vanno e vengono, lavorano su turni per il monitoraggio del sarcofago di cemento che è stato costruito (e poi ricostruito) intorno al nucleo in fusione del reattore. Seguono un percorso preciso e monitorato dentro e fuori dall’area di rispetto. A parte costoro, l’intera zona è selvaggia.

Nell’affollata Europa non ci sono altre aree altrettanto grandi e completamente disabitate. Bisogna andare fino in Siberia per trovare qualcosa di simile, in termini di assenza umana.

Pazienza, che all’energia ci arriviamo.

Ciò che ha sorpreso molti ricercatori, è il fatto che nell’area ci sia stata un’esplosione di vita. Naturalmente le radiazioni hanno un effetto sulle creature che vivono qui: gli uccelli hanno cervelli più piccoli della media, gli animali albini sono più frequento che altrove, e altri problemi di salute sono stati osservati nella fauna. Anche le piante sono colpite, e non tutte le specie arboree sono in grado di sopravvivere all’irraggiamento costante da parte di radionuclidi.

Comunque, la cosa notevole è che, al contrario di quanto ci si sarebbe aspettato, non solo gli animali hanno invaso l’area, ma tendono a essere più abbondanti verso il centro, dove si trova il reattore esploso, e non ai margini. Ai margini, infatti, si trova un altro grave pericolo, che tiene lontani gli animali: gli esseri umani.

Dovendo scegliere tra mortali radiazioni ionizzanti e pacifici esseri umani, gli animali selvatici scelgono l’uranio senza alcun dubbio.

figura 1

Questo fenomeno indica qualcosa che sarebbe dovuto essere ovvio: ovvero che se vogliamo avere una chance di preservare l’ambiente naturale in un ecosistema che abbiamo alterato profondamente, l’unico modo efficace è piuttosto semplice: ce ne dobbiamo andare.

Non discuteremo qui I tanti modi in cui un ecosistema ferito influenza la vita umana, nel lungo termine a anche ne quotidiano. C’è una vasta letteratura a disposizione su questo argomento deprimente. Sappiamo che l’attuale ritmo di estinzione di specie animali è almeno 50 volte più alto di quello normale. E la causa non è il cambiamento climatico, siamo noi, gli umani, che cancelliamo gli habitat delle specie animali. Se questa è un’altra estinzione di massa, questa volta noi non siamo i dinosauri: siamo l’asteroide.

Invece, è importante capire che nessuno sforzo di conservazione della natura, per quanto ben finanziato, potrà fare una differenza significativa se gli umani non decidono di liberare una parte del pianeta dalla loro soffocante presenza.

L’unico modo praticabile di farlo e allo stesso tempo di supportare una civilizazione che presto raggiungerà i 10 o 11 miliardi di individui è che gli umani si concentrino nelle città, liverino territorio, in parte tramite riforestazione, in parte semplicemente lasciandolo a se stesso. La vita ci pensa da sola.

Qui abbiamo una buona e una cattiva notizia: la buona è che sta già succedendo. Il 55% degli umani, oggi, ormai vive in città, e si stima che la cifra arriverà al 70% alla metà di questo secolo. La cattiva notizia è che la gran parte delle nostre città non è sostenibile. Questo causa una enorme pressione sull’ambiente circostante, le città consumano molta energia, inquinano, e alcune di quelle più grandi sono bombe biologiche e sociali.

Stiamo assistendo a un esodo dale campagne alla città. Perché è un esodo: si protrae già da 500 anni, e in tempi recenti questo processo ha nettamente accelerato. Lo posso spiegare chiaramente con questo semplice grafico elaborato da OurWorldInData, un’organizzazione con sede a Oxford, particolarmente abile nell’estrarre dai dati statistiche utili a spiegare lo stato della civiltà umana.

Figura 2

Altre informazioni e altri grafici di questa organizzazione mostrano come gli standard di vita, e di benessere, siano generalmente pi alti nelle città e metropoli rispetto alle aree rurali, che poi è il motore che spinge la gente verso le città. Mo come possiamo rendere sostenibili le future megacities?

Ci può aiutare il lavoro fatto da due persone che hanno mostrato la via, indipendentemente l’uno dall’altro: sono tutti e due italiani, uno è un architetto, l’altro un biologo.

Il lavoro di Stefano Boeri si basa sul creare edifici e strutture sostenibili in termini di bilancio energetico, che contribuiscano a rovesciare il ruolo delle città in termini di inquinamento dell’aria, grazie alla riforestazione urbana che comportano.

Figura 3

La famosa Foresta Verticale eretta a Milano ha chiaramente uno scopo concettuale: l’edificio è bellissimo, non inquina ed è energeticamente sostenibile, anche se non lo è dal punto di vista economico. Tuttavia, ha dimostrato che le città possono essere costruite in una maniera funzionale al bilancio energetico e ambientale.

La Foresta Verticale rappresenta l’idea di smart building. Non solo acciaio, cemento e vetro, come negli edifici standard, non solo piante abilmente distribuite intorno alle facciate, ma anche connettività, Internet of Things e automazione dei servizi. E’ una finestra sul futuro, e questo futuro sarà meglio che arrivi in fretta. Non c’è più separazione tra il settore energetico e quello edilizio, dato che queto tipo di struttura può essere costruita solo da un team in simbiosi in cui ingegneria civile, tecnologia dell’energia, informatica avanzata e biologia non possono più essere separate.

Non c’è bisogno di dire che naturalmente gestire i bisogni energetici di un ambito compatto come una città, comparato a un ambiente più disseminato, è molto più complesso, ma certamente a lungo termine è più economico. La distanza è anche dispersione, inevitabilmente.

Stefano Mancuso invece è uno scienziato e si è specializzato nella neurobiologia delle piante. Il suo libro Plant Revolution è una lettura affascinante, che apre gli occhi, e lo raccomando a tutti. Nel suo lavoro Mancuso spiega in termini chiari la differenza fondamentale tra l’organizzazione biologica di animali e piante (e sì, le piante hanno una neurobiologia). La differenza fondamentale sta nella centralizzazione delle funzioni tipica della vita animale. Non solo gli animali, e di conseguenza gli umani, hanno una organizzazione biologica fortemente centralizzata e gerarchica, ma anche le strutture sociali umane, e persino le sue strutture informatiche seguono lo stesso tipo di progetto. Tale progetto contiene alcune inefficienze intrinseche, in larga parte determinate dal processo decisionale.

Mancuso mostra la possibilità di una organizzazione di tipo differente, guardando alle piante. Le piante utilizzano un sistema decentralizzato, che permette maggiore resilienza, modularità, scalabilità e richiede più cooperazione che competizione. Tale sistema, apparentemente senza un cervello, riesce comunque a sentire, ricordare, decidere e agire, in maniera molto efficace.

Figura 4

Il Sistema può essere replicato e utilizzato per gestire le nostre esigenze energetiche che diventano sempre più complesse. Il modello centralizzato andava bene per il sistema in cui avevamo un fornitore di energia e molti consumatori, ma questo modello sta progressivamente venendo rimpiazzato da un altro, costituito da piccoli e grandi prosumers, collegati in rete. Stiamo già andando in quella direzione.

L’energia deve essere smart in tutti i suoi aspetti. Dalla gestione automatizzata del mix energetico, alla rete elettrica, che deve gestire flussi in tutte le direzioni, supportata da sistemi di stoccaggio strategici, da edifici che parlano con la rete, a clienti e prosumers legati da contratti smart, che li mettono allo stesso livello dei grandi produttori di energia in rete.

E’ possibile che siamo oggi arrivati a un punto, nel modo in cui l nostra società tecnologica cresce, in cui dobbiamo guardare a un modello di sviluppo del tutto nuovo, allo scopo di sopravvivere, vivere e prosperare? Se è così dobbiamo capire subito cosa comporta. Ma ci arriveremo con la prossima chiacchierata. 

 

 

How’s Energy doing? / 4 Take another little piece of the planet, baby.

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

Forget about clean energy.

I guess we should start from a bold statement, avoid any form of delusion and look forward to change the present situation and direction.

Clean energy is not a thing. It is not possible to create energy without any side effects or byproducts of the energy generation process, be it CO2 burned, environmental impact or utilization of biological or mineral resources.

Different levels of pollution and of devastation of natural resources, those are a thing. I believe we should look at those figures with a cold stare, to understand what is best (or less bad) for us, our jobs, our children, the biosphere.

When humans started burning coal and oil, it was not really a big problem. These fuels enabled an exponential growth in terms of energy availability, in exchange for some smoke and dirt here and there. Of course, the problem came with scale when everyone started doing that. That was not even the first time it occurred: even horse-powered carts in London had become a problem due to the amount of animals’ droppings, eventually, in the world’s busiest city. So I will propose here just some data that need to be taken into account when thinking of energy solutions, their effectivity at solving the problem of living on this planet, and the issues they can cause or are already causing down the line. 

We start with an easy one: CO2 emissions.

The 2014 IPCC data paint a rather clear picture. Keep in mind that the IPCC has calculated the life-cycle emissions of power plants based on each energy source, and that the data plotted here are a median value, since depending on conditions and scale these figures vary significantly:

Are these data disputed? In part they are. Some claim that the life-cycle emissions of a hydroelectric plant are significantly higher, due to the missing CO2 sequestration by the vegetation obliterated by the water reservoir. Others object “hidden” CO2 emissions in the construction and dismantling of a nuclear plant. I posted here the figures that enjoy the highest consensus (let’s keep in mind that the IPCC is not some fringe group dedicated to overthrow the system: these are the scientists appointed by the government of most countries in the world, trying to find results that balance scientific emerging truth and government pressures pulling whichever way).

So, if we look at greenhouse gas emission, the picture is clear and it helps drawing a line separating renewable and non-renewable energy, largely based on either burning or not burning things.

It is however best to keep in mind other parameters contributing to the impact that energy sources have on the planet. So, I will add two more charts here, I do not have the ambition of painting a full picture, but at least to draw a couple more lines on the playground.

First, the needed space. On a crowded planet, space has a high value. Mankind has not worked out yet how to leave enough space to all the other living creatures for everyone to make it. Meanwhile we look to replace fossil fuel power plants, which are relatively compact, with other sources, which intrinsically need more space. Here is a graphic representation I tried, based on the figures from a paper published 3 years ago.

We already knew that trying to develop our renewable power production utilizing hydro power was going to be a problem. Here we can visualize how much more surface we may need to sacrifice to replace each Megawatt now supplied by gas or coal plants.

Desert areas may be the more practical spots for solar plants, in turn. Assuming that “desert” means “dead” or “useless”, which is very much not the case.

Therefore, please go ahead, but make sure that environmental impact calculations are as accurate and fastidious as they are for a coal plant.

Finally, a look to the resources used and the toxicity caused by each energy source:

This chart comes from a 2013 study by the National Academy of Sciences of the USA, validated by peer reviewers at Harvard University.

Some of the indications regarding pollution and the usage of natural resources are expected, others are not. The thirst for steel and concrete of the wind power industry is significant.

In a similar chart the study shows how high is the consumption of aluminum and copper in solar PV electricity generation. Anyone who has been to a bauxite open mine knows what that means.

And then there is the problem of Lithium. Not the Nirvana song, the chemical element. Modern battery technology depends on it. It is already carving through salt lakes in Bolivia, using up water and polluting streams. Any increase of battery power, not only for vehicles but for the much needed storage capacity that will smoothen the intermittent nature of renewable power sources, will have a massive impact, which I don’t document here with charts because I am still working on it. Let alone cobalt, mined almost entirely in the RDC. Social issues there add up to the damage or primary forest. I personally do not think lithium batteries are the answer to our future storage needs (sorry, Elon).

Ultimately, we are still going to plunder the earth one way or another, to maintain our present and growing energy demand. We have now collectively realized that, if we want to keep breathing, we will need to phase out fossil fuels, but now we still need to find the technology solutions that enable to utilize alternative solutions without causing equal damage some other how.

And will new technologies be enough? Not quite, I say.


Traduzione:

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

Lasciamo perdere l’energia pulita.

Meglio essere chiari fin dall’inizio, evitando illusioni e guardiamo avanti, se lo scopo è di cambiare la presente situazione e la direzione in cui stiamo andando.

L’energia pulita non esiste. Non è possibile creare energia senza effetti collaterali o sottoprodotti del processo di generazione dell’energia, siano essi emissioni di CO2, impatti ambientali o utilizzo di risorse biologiche o minerali.

Esistono diversi livelli di inquinamento e di devastazione delle risorse naturali. Credo si debba guardare a questi dati in maniera razionale e fredda, per capire che cosa sia meglio (o meno peggio) per noi, per l’occupazione, per i nostri figli e per la biosfera.

Quando gli umani hanno iniziato a bruciare carbone e petrolio, non era in realtà un grosso problema. Questi combustibili hanno permesso una crescita esponenziale in termini di energia a disposizione, in cambio di un po’ di fumo e fuliggine qui e là. Naturalmente il problema arrivò con l’aumentare della scala a cui tutti hanno iniziato a bruciare combustibile. E non era nemmeno la prima volta che il problema dell’inquinamento si presentava: anche le carrozze a cavalli a Londra erano diventate un problema dato la quantità di deiezioni equine che a un certo punto ingombravano quella che era la città più trafficata del mondo. Quindi ciò che farò qui è proporre una serie di dati che vanno tenuti in considerazione, quando si pianificano soluzioni energetiche e se ne valuta l’efficacia nel risolvere il problema di abitare questo pianeta e i problemi che possono sorgere in futuro e quelli che sono già qui.

Partiamo con una cosa facile: le emissioni di CO2.

I dati del congresso dell’IPCC mostrano una immagine molto chiara: teniamo a mente che l’IPCC ha calcolato le emissioni dell’intero ciclo delle varie centrali energetiche, e che quelli plottati qui sono valori mediani, dato che le condizioni e la scala di queste emissioni variano in maniera significativa:

[prima immagine]

Questi dati vengono messi in dubbio? Solo in parte. Alcuni dicono che le emissioni di una centrale idroelettrica sono molto più alti, dato che il lago idroelettrico impedisce alla vegetazione allagata di fissare il carbonio dalla CO2. Altri obiettano che ci siano costi in termini di CO2 “nascosti” nella costruzione e smantellamento di un impianto nucleare. Ho quindi scelto le cifre che hanno il maggiore consenso (ricordiamo che l’IPCC non è un gruppo di ambientalisti estremisti decisi a rovesciare l’ordine costituito: questo sono scienziati nominati dai governi dei paesi del mondo, che cercano di mettere insieme le verità scientifiche emergenti con le pressioni politiche che tirano da tutte le parti).

Quindi, se guardiamo le emissioni dei gas serra, la situazione è chiara, ed è netta la separazione tra energie rinnovabili e non-rinnovabili, che in larga parte dipende dal fatto che si bruci qualche cosa o no.

Bisogna tuttavia temere a mente anche altri parametri che contribuiscono all’impatto che le varie fonti di energia hanno sul pianeta. Quindi aggiungerò altre due immagini qui, senza avere l’ambizione di tracciare un quadro completo, ma quantomeno per delimitare le linee del campo di gioco.

Intanto, quanto spazio serve? Su un pianeta affollato, lo spazio ha un valore. L’uomo non ha ancora capito come fare a lasciare abbastanza spazio anche alle altre specie in modo da riuscire a vivere tutti. Nel frattempo, stiamo cercando di sostituire gli impianti di produzione energetica a gas, che sono relativamente compatti. Con altre fonti, che intrinsecamente hanno bisogno di più spazio. Ecco una rappresentazione grafica che ho tentato, sulla base delle cifre pubblicate su uno studio di tre anni fa.

[seconda immagine]

Sapevamo già che cercare di sviluppare la nostra produzione energetica rinnovabile puntando all’idroelettrico sarebbe stato problematico. Qui possiamo visualizzare anche quanta superficie in più dovremo sacrificare per rimpiazzare ogni Megawatt che oggi otteniamo da gas e carbone.

Le aree di deserto, evidentemente, saranno quelle più pratiche per l’installazione di impianti solari. Ma attenti a non presumere che “deserto” significhi “vuoto” o “inutile”, dato che non è certo questo il caso.

Quindi, per favore, Andiamo pure avanti, ma assicuriamoci che i calcoli dell’impatto ambientale delle fonti rinnovabili siano altrettanto accurati di quelli fatti per le centrali a carbone.

Infine, diamo un’occhiata alle risorse utilizzate e alla tossicità legata alle varie sorgenti energetiche.

[terza immagine]

Questo grafico è preso da uno studio del 2013 fatto dall’Accademina Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti, poi convalidato dall’Università di Harvard.

Alcuni degli indicatori dell’inquinamento e dell’uso di risorse naturali delle varie fonti energatiche risultano ovvii. Altri non lo sono. La sete di acciaio e cemento dell’industrioa eolica per esempio è molto significativa.

In un altro grafico simile lo studio mostra quanto alto sia il consumo di alluminio e rame nella generazione di energia dal fotovoltaico. Chiunque sia stato in una miniera a cielo aperto di bauxite sa cosa significhi.

E poi c’è il problem del litio. Lithium, in inglese, come la canzone dei Nirvana. L’attuale tecnologia delle batterie dipende dal litio. Si stanno già scavando miniere nei laghi salati della Bolivia, sfruttando risorse idriche e inquinando i corsi d’acqua. Un aumento dell’uso delle batterie, non solo per veicoli elettrici, ma anche per lo storage necessario a compensare la natura intermittente delle sorgenti rinnovabili, avrà un impatto molto forte, che non posso documentare qui perché lo stanno ancora studiando. E poi non dimentichiamo il cobalto, quasi interamente estratto nella Repubblica Democratica del Congo. Crisi sociali in quel paese si aggiungono al danno fatto alla foresta primaria. Personalmente non credo che le batterie al litio siano il futuro per quanto riguarda la nostra necessità di stoccare energia (sorry, Elon Musk).

Alla fine, siamo sempre impegnati a sfruttare la terra, in un modo o nell’altro, per soddisfare il nostro sempre crescente bisogno di energia. Ora, abbiamo tutti capito che, se vogliamo continuare a respirare, dovremo progressivamente dismettree i combustibili fossili. Ma dobiamo ancora trovare le soluzioni tecnologiche che permettano di usare fonti alternative senza causare danni di tipo diverso, ma di uguale entità.

Basterà trovare nuove tecnologie? Non penso proprio. 

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. 

 

 

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.