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.