Energy Technology Perspectives

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1 TER_apr_santi :38 Pagina 35 di Federico Santi Energy Technology Perspectives Scenari tecnologici per la sostenibilità del sistema energetico globale Il futuro del sistema energetico globale non sarà sostenibile se non vi saranno cambiamenti di direzione rispetto alle tendenze in atto. I più autorevoli rapporti di analisi pubblicati negli ultimi anni non fanno che ripetere a gran voce questo preoccupante allarme, approfondendo ora l uno ora l altro fattore di insostenibilità. Il rapporto dell International Energy Agency (IEA) di Parigi Energy Technology Perspectives 2006, Scenarios and Strategies to 2050 (di seguito per brevità detto ETP) redatto in support of the G8 Plan of Action come recita il sottotitolo in copertina, spinge lo sguardo fino all orizzonte del 2050 in un analisi di scenari del sistema energetico planetario condotta con le metodologie più rigorose. Estendendo dal 2030 al 2050 lo scenario di riferimento che la stessa IEA ha pubblicato nel suo noto rapporto periodico World Energy Outlook 2005, l ETP analizza il futuro energetico tendenziale dell umanità, riscontrando una serie di importantissimi fattori di insostenibilità ambientale, economica e geopolitica. Rispetto ad altri studi altrettanto rigorosi e autorevoli, l ETP ha il sorprendente merito di proporre ed analizzare in dettaglio percorsi di sviluppo alternativi per il sistema energetico globale, in grado di garantirne la sostenibilità attraverso l evoluzione tecnologica. L ETP fornisce le cifre di merito degli scenari di sviluppo alternativi esplorati e ne evidenzia i benefici, le problematiche ed i principali ostacoli di realizzabilità, ponendo l accento sulle filiere tecnologiche attraverso le quali i problemi di insostenibilità dello sviluppo possono essere affrontati e, almeno in parte, risolti. Questo punto di vista dà conto dell orizzonte temporale di quasi mezzo secolo adottato nello studio, considerata la grande inerzia del sistema energetico mondiale, il quale sconta immobilizzazioni di capitale di dimensioni inaudite 1 e richiede tempi lunghissimi per la sostituzione tecnologica, sicuramente nell ordine di diversi decenni. Dal punto di vista metodologico, l ETP fa uso di un modello MARKAL multiregionale (15 regioni) del sistema energetico globale, sviluppato dalla stessa IEA in anni di studi e ricerche. I modelli della famiglia MARKAL-TIMES sono gli strumenti più diffusi al mondo per l analisi modellistica dei sistemi energetici: ne fanno uso più di cento istituzioni in oltre cinquanta Paesi del globo. In Italia, la Fondazione Economisti dell Energia, il CESI, l Università di Roma La Sapienza, l ENEA, l APAT, il Politecnico di Torino ed il CNR hanno sviluppato e utilizzano attualmente modelli MARKAL per la rappresentazione e l analisi del sistema energetico italiano. La metodologia MARKAL, piuttosto complessa sotto il profilo matematico, è nata ed è stata sviluppata nel corso dell ultimo trentennio proprio da un programma dell IEA (l implementing agreement ETSAP-Energy Technology System Analysis Program, il cui attuale capo-progetto, lo si sottolinea con una punta Prof. ing. Federico Santi, Docente di Modelli di Analisi dei Sistemi Energetici all Università di Roma La Sapienza (Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Energetica); Direttore Scientifico della Fondazione Economisti dell Energia. di orgoglio, è italiano: il dott. Giancarlo Tosato). Per l IEA, dunque, l uso del MARKAL nell ETP è una scelta metodologica tanto naturale quanto opportuna, dato che il MARKAL ha il suo punto di forza nella rappresentazione dettagliata dell evoluzione tecnologica, focus dell intero studio. La struttura dell ETP consta di due parti: la prima, intitolata Technolgy and the Global Energy Economy to 2050, descrive le ipotesi ed i risultati principali dell analisi dei 6 scenari elaborati (5 scenari detti ACT-Accelerated Technology e 1 scenario detto TECH Plus, descritti nel seguito); la seconda intitolata Energy Technology Status and Outlook analizza lo stato e le prospettive delle tecnologie energetiche su cui si basano gli scenari elaborati. In questo articolo si presentano i concetti espressi nella prima parte dell ETP, mentre la seconda parte verrà affrontata in un secondo articolo. Per la rigorosità del metodo e l estremo interesse dei contenuti, è facile infatti prevedere che l ETP diventerà ben presto una pietra miliare nelle analisi energetiche, come è successo in passato ad altre ben note pubblicazioni, ad esempio: Nakicenovic, Grubler, McDonald, IIASA- WEC, Global Energy Perspectives, Cambridge University Press, Ragionare anche in Italia sulle ipotesi e sui principali risultati dell ETP sembra dunque un attività utile, non solo per alzare lo sguardo verso il futuro, ma anche per decidere se e come affrontarlo da protagonisti, ferma restando l urgenza di muovere sin da oggi i primi passi in direzione di un cambiamento già iniziato altrove. Lo scenario di riferimento L estensione al 2050 dello scenario di riferimento presentato nel World Energy Outlook si fonda sulle ipotesi seguenti: l economia mondiale cresce mediamente del 2,9% all anno dal 2003 al 2050; il 1 Basta pensare alle infrastrutture di estrazione, trasporto, trasformazione e distribuzione dei combustibili fossili, nonché alle infrastrutture nucleari piuttosto che idroelettriche, per non dire degli stock di tecnologie di uso finale dell energia: automobili, caldaie, motori ecc., ed alle fabbriche che li producono. 35

2 TER_apr_santi :38 Pagina 36 FIGURA 1 - CO 2 emission reduction by contributing factor in the ACT and TECH Plus scenarios (reduction below Baseline Scenario in 2050 reddito pro-capite cresce mediamente del 2% all anno, ovviamente con forti differenze tra le diverse aree geografiche della Terra. I prezzi dell energia derivano dall equilibrio parziale domanda/offerta soddisfatto dal modello. Le domande di servizi energetici (es. raffrescamento degli ambienti, illuminazione stradale, mobilità delle persone ecc.) sono determinate a partire dal quadro di indicatori socioeconomici e demografici ipotizzato per le diverse aree geografiche del Pianeta e costituiscono un input del modello MARKAL. Tali domande sono rigide, cioè non variano nei diversi scenari elaborati. Poiché il modello considera invece gli stock di tecnologie energetiche per gli usi finali dell energia (automobili, frigoriferi ecc.) il consumo finale di commodities energetiche è determinato dal modello in base al calcolo (automatico) della consistenza degli stock suddetti e della loro efficienza di conversione delle commodities energetiche in energia utile. Il modello calcola altresì il reticolo di flussi di commodities e centri di produzione/conversione/trasporto dell energia, fino a giungere al fabbisogno globale di energia primaria, con approccio bottom-up. Con questa metodologia, i prezzi dell energia sono dunque determinati all interno del modello stesso, sebbene non vengano considerati i possibili effetti delle variazioni degli stessi prezzi sulle domande di servizi energetici, in prima approssimazione ritenute costanti, né venga tenuto in conto il legame tra i prezzi dell energia e l economia globale. Il prezzo del petrolio nello scenario di riferimento è previsto passare da 39 $/b nel 2030 a 60 $/b nel 2050 (in moneta costante del 2004). Nello scenario di riferimento, il consumo mondiale di energia primaria cresce mediamente del 1,6% all anno dal 2005 al 2030, praticamente raddoppiando da 11 Gtep a 22 Gtep. La domanda globale di petrolio passa da 3,6 Gtep nel 2003 a 7,0 Gtep nel 2050, con una crescita del 93% ed una conseguente pressione sulla produzione di greggio, con tutte le tensioni geopolitiche che ciò comporta data la grande concentrazione delle riserve nell area mediorientale. Nello stesso periodo il consumo mondiale di gas naturale sale addirittura del 138%, passando da 2,2 Gtep nel 2003 a 5,4 Gtep nel La domanda planetaria di carbone cresce percentualmente ancor di più, del 198%, passando da 2,6 Gtep nel 2003 a 7,5 Gtep nel 2050; vale a dire che tra il 2030 ed il 2050 il carbone supera il petrolio in termini di consumi assoluti e diventa la prima fonte energetica mondiale. Nel complesso, in meno di cinquant anni, dal 2003 al 2050, il consumo di combustibili fossili aumenta da 8,4 Gtep a circa 20,0 Gtep. Ciò è insostenibile, sia dal punto di vista geopolitico, per le tensioni che si acuirebbero enormemente rispetto alla situazione attuale già piuttosto critica, sia dal punto di vista sociale, per la messa a repentaglio della sicurezza degli approvvigionamenti energetici in alcune aree del globo, sia dal punto di vista economico, per la forte pressione sui prezzi dell energia, sia dal punto di vista ambientale, non solo per l estrazione ed il consumo di una enorme quantità di risorse energetiche non rinnovabili, ma anche per l inquinamento associato al loro utilizzo e soprattutto per l emissione di gas climalteranti con effetto disastroso sul clima del Pianeta. In questo scenario di riferimento le emissioni di CO 2 (in termini di CO 2 equivalente) passano da 24,5 Gt nel 2003 a ben 58 Gt nel 2050, registrando più che un raddoppio. Già nel World Energy Outlook le emissioni globali di CO 2 erano viste in crescita fino a 37,4 Gt nel La fonte nucleare passa da uno share del 6% nel 2003 ad uno del 4% nel 2050, mentre le fonti rinnovabili registrano un calo della quota di mercato dal 13% all 11%. Ciò nonostante la forte crescita delle due aree in termini assoluti. Ancorché tecnicamente compatibile col livello di riserve energetiche disponibili sulla Terra, lo scenario di evoluzione tendenziale del sistema energetico globale è dunque insostenibile da qualsiasi prospettiva lo si osservi. L ETP esplora 6 scenari di sviluppo alternativi nei quali i fattori di insostenibilità sopra elencati sono fortemente mitigati dall evoluzione tecnologica. Scenari alternativi FIGURA 2 - Energy Demand in ETP Fonte: Giorgio Simbolotti, IEA-OECD, Energy Technology Perspectives - Scenarios and Strategies to 2050, ENEA L ETP presenta 5 scenari alternativi ACT (Accelerated Technology), detti rispettivamente: Map, Low Nuclear, Low Renewables, No Carbon Capture and Storage, Low Efficiency. Inoltre, esso propone uno scenario detto TE- CH Plus, che prevede un evoluzione tecnologica particolarmente ottimista sotto il profilo 36

3 TER_apr_santi :38 Pagina 37 FIGURA 3 - World fossil-fuel supply by scenario della soluzione dei problemi di insostenibilità del sistema energetico. Il fine ultimo dell analisi di questi scenari alternativi è comprendere l effetto della penetrazione accelerata nel sistema energetico di alcune nuove tecnologie, appartenenti alle 4 aree tecnologiche dal cui sviluppo dipende la sostenibilità del sistema stesso: Nucleare; Fonti Rinnovabili; Sequestro della CO 2 ; Efficienza Energetica. In ciascuno dei cinque scenari tecnologici si assume rispettivamente lo sviluppo accelerato di tre aree tecnologiche su quattro, ipotizzando irrisolti i problemi di evoluzione di una delle quattro aree, come ben si evince dal nome stesso di ciascuno scenario. Nello scenario TECH Plus l evoluzione tecnologica accelerata è invece pienamente ipotizzata per tutte le quattro filiere tecnologiche. Rispetto alle emissioni del 2003, tutti e cinque gli scenari ACT vedono una crescita delle emissioni di CO 2 al 2050, rispetto ai valori del 2003: Map +8%, Low Nuclear +10%, Low Renewables +9%, No CCS + 21%, Low Efficiency +27%. Si tratta tuttavia di una crescita davvero modesta rispetto al +137% dello scenario di riferimento! In sostanza, nei primi tre scenari le emissioni di CO 2 al 2050 tornano grossomodo ai valori del 2006, mentre negli ultimi due scenari esse registrano un certa crescita, nonostante lo sviluppo accelerato delle fonti rinnovabili e dell energia nucleare. Questa osservazione già mostra quali aree tecnologiche abbiano maggiore impatto sulla riduzione delle emissioni di CO 2 : efficienza energetica in primis, seguita da cattura e stoccaggio dell anidride carbonica. In effetti, in tutti gli scenari tranne che nel Low Efficiency la riduzione delle emissioni climalteranti è dovuta per oltre il 50% (circa 15 Gt) all aumento dell efficienza di conversione dell energia negli usi finali e nella produzione di elettricità. Nello scenario Low Efficiency tale quota scende al 30% circa (8 Gt). In ogni caso, l accelerazione dell aumento di efficienza energetica gioca il ruolo principale per la sostenibilità ambientale del futuro energetico planetario. Ruolo che non è sostituibile dalla penetrazione accelerata di tecnologie rinnovabili, nucleari o di sequestro dell anidride carbonica. In ordine di importanza, la seconda filiera tecnologica per la riduzione delle emissioni climalteranti è la cattura e stoccaggio dell anidride carbonica, che consente la riduzione di oltre 6 Gt di CO 2 (25% circa) entro il 2050, rispetto allo scenario di riferimento. Ciò tranne, ovviamente, nello scenario No CCS, in cui all assenza di tecnologie di sequestro dell anidride carbonica si sopperisce con uno sviluppo molto forte delle fonti rinnovabili, dell energia atomica e, in minor misura, dei biocarburanti. Complessivamente, l aumento dell efficienza energetica e la cattura e stoccaggio dell anidride carbonica coprono una quota di ben tre quarti della riduzione complessiva. Il messaggio dell ETP è chiaro: un futuro sostenibile per l umanità passa attraverso l accelerazione dell aumento di efficienza energetica nonché, in minor misura e limitatamente al problema del global warming, attraverso il sequestro geologico dell anidride carbonica. La prima filiera è un passaggio obbligato; la seconda, come mostra lo scenario No CCS, potrebbe essere sostituita, ma con costi elevati e senza grande efficacia. Nello scenaro TECH Plus le emissioni di CO 2 al 2050 scendono del 16% sotto il livello registrato nel 2003, grazie ad un ruolo massivo delle tecnologie CCS, oltre che dell efficienza energetica, come già detto, e grazie altresì allo shift verso un mix di combustibili a più basso contenuto di carbonio ed allo sviluppo delle fonti rinnovabili e nucleare. Oltre all efficienza energetica ed alle tecnologie di CCS, altri contributi alla riduzione delle emissioni di gas-serra vengono da un alleggerimento del mix di combustibili, dall uso di biocarburanti nei trasporti, dallo fonti rinnovabili, dall energia atomica. È interessante notare che solo nello scenario TECH Plus un certo contributo, ancorché marginale, viene dall uso dell idrogeno in celle a combustibile. L IEA dunque presenta un analisi che, a conferma di quanto pubblicato in altri studi, vede l idrogeno come opzione tecnologica marginale nell arco dei prossimi cinquant anni. Per quanto riguarda il fattore di insostenibilità costituito dalla crescita della domanda di petrolio, negli scenari ACT essa scende di circa 1,2 Gtep mentre nello scenario TECH Plus scende di oltre 2,1 Gtep, rispetto allo scenario di riferimento. Ciò equivale ad una crescita rispettivamente del 60% e del 35% circa rispetto al livello di domanda registrato nel Dunque l aumento di efficienza energetica, insieme ad un certo spostamento nel mix di combustibili, consente un margine di miglioramento notevole per la sostenibilità sociale, economica e geopolitica, oltre che economica, del sistema energetico globale. Ciò è ancor più vero per quanto riguarda il consumo di carbone, che negli scenari ACT resta intorno a 3 Gtep nel 2050, contro gli oltre 7 Gtep dello scenario di riferimento. Negli scenari TECH Plus e No CCS il consumo di carbone nel 2050 si attesta al disotto dei consumi registrati nel Il beneficio conseguito negli scenari ACT e TECH Plus è evidente, non solo per la riduzione delle emissioni climalteranti, ma anche e soprattutto per la riduzione dell inquinamento e della conse- FIGURA 4 - World gas supply by scenario

4 TER_apr_santi :38 Pagina 38 FIGURA 5 - Global electricity production by fuel and scenario, 2003, 2030, 2050 guente spesa ambientale e sanitaria, nonché per la riduzione dell attività mineraria. Per il gas naturale, negli scenari ACT e TECH Plus la domanda globale al 2050 non supera mai i 4 Gtep (eccezion fatta per lo scenario Low Efficiency, che sale a circa 4,5 Gtep) contro gli oltre 5 Gtep dello scenario di riferimento. Dunque anche negli scenari con intenso sviluppo tecnologico i consumi di gas naturali sono destinati ad aumentare notevolmente rispetto ai livelli attuali; tuttavia, in tali scenari si consegue comunque un importante contenimento della crescita di tali consumi andando nella direzione della sostenibilità economica e sociale. La domanda globale di elettricità cresce sia nello scenario di riferimento che negli scenari alternativi, trainata soprattutto dai settori residenziale e terziario. Negli scenari alternativi tuttavia tale domanda risulta stabilizzarsi dopo il 2030 su circa TWh, contro i del 2003 e gli oltre dello scenario di riferimento al La produzione elettrica negli scenari alternativi vede una crescita della quota del carbone fino a circa TWh al 2050, ma con cattura e stoccaggio della CO 2 in più della metà degli impianti; inoltre, tale crescita è modesta se confrontata con quella prevista dallo scenario di riferimento fino a oltre TWh sempre al In tale orizzonte aumenta la produzione elettrica da gas naturale anche negli scenari alternativi, ma in misura molto minore rispetto allo scenario di riferimento. La produzione elettronucleare cresce invece di più negli scenari alternativi (tranne che nel Low Nuclear) e così pure quella da fonti rinnovabili e da biomasse. In particolare, nello scenario TECH Plus la produzione nucleare quadruplica da 0,5 Gtep nel 2003 a 2 Gtep nel 2050, mentre negli scenari ACT essa triplica arrivando a 1,5 Gtep nello stesso anno. È da notare che per la produzione termoelettrica l intensità carbonica nel 2003 era di circa 600 grammi di CO 2 al kwh e tale resta fino al 2050 nello scenario di riferimento, mentre negli scenari alternativi essa scende fino a circa 200 g/kwh, vale a dire un terzo dell attuale. Nel settore dei trasporti, l aumento di efficienza e l uso di combustibili alternativi permette di ridurre la domanda di gasolio e benzina del 25% negli scenari alternativi, rispetto allo scenario di riferimento (del 55% nello scenario TECH Plus). Al 2050, il consumo medio degli veicoli leggeri passa dai 10 litri/100 km nel 2003 ai 6 litri / 100 km negli scenari ACT e ai 5 litri/100 km nello scenario TECH Plus. Tale riduzione si ottiene soprattutto migliorando la combustione (40% del totale), ricorrendo a veicoli ibridi (24%), aumentando l efficienza energetica delle apparecchiature a bordo (20%), migliorando l aerodinamica (3%) e riducendo il peso (6%). Il consumo energetico degli edifici vede nel 2050 un risparmio, rispetto allo scenario di riferimento, di oltre 1,1 Gtep nel settore residenziale e di circa 0,6 Gtep nel settore terziario (la metà del residenziale!). Una metà del risparmio viene dal miglioramento dell efficienza nel riscaldamento; circa un terzo nell aumento di efficienza delle apparecchiature e dell illuminazione; il resto è imputabile soprattutto alla climatizzazione nel settore terziario ed alla produzione di acqua calda, oltre che alla climatizzazione, nel settore residenziale. Nel settore industriale il consumo energetico globale cresce, sia nello scenario di riferimento che negli scenari alternativi, nei quali tuttavia la crescita è moderata dall aumento di efficienza energetica e la riduzione delle emissioni climalteranti è favorita anche dalla cattura e stoccaggio dell anidride carbonica. Lo scenario Map FIGURA 6 - CO 2 emissions from electricity generation and source of reduction, Per quanto riguarda la sostenibilità economica, lo scenario Map (come gli scenari alternativi in genere) registra un aumento degli investimenti necessari nel settore elettrico, il più interessato da interventi di ammodernamento per aumento di efficienza, integrazione di CCS, sviluppo delle fonti rinnovabili e nucleare. Tale aumento è stimato in circa miliardi di dollari cumulativi tra il 2005 ed il 2050 e deriva dal saldo tra gli investimenti in nuovi impianti eolici, solari, geotermoelettrici, nucleari e di CCS (per un totale di circa miliardi di dollari) e la riduzione degli investimenti in nuovi impianti termoelettrici (circa miliardi di dollari). Pur considerando l orizzonte temporale molto lungo, è chiaro che si tratta di extra-costi di grande rilevanza, nell ordine dello 0,1% del PIL mondiale del Lo spostamento di tali costi dagli impianti termoelettrici alle nuove tecnologie rinnovabili, nucleari e CCS rappresenterebbe una vera e propria rivoluzione del mercato 38

5 TER_apr_santi :38 Pagina 39 impiantistico globale. L importanza di studi come l ETP è anche quella di illuminare la strada per la definizione delle strategie industriali di lungo periodo dei Paesi e delle compagnie. Restare fuori dai mercati delle tecnologie per le fonti rinnovabili, l energia nucleare, soprattutto il sequestro dell anidride carbonica e ancor di più l efficienza energetica sarebbe fatale per l industria di un Paese sviluppato. Grazie all aumento dell efficienza energetica, la riduzione degli investimenti richiesti per la rete di trasporto e distribuzione dell energia elettrica assomma negli scenari alternativi a circa miliardi di dollari e compensa dunque abbondantemente gli extra-costi del settore della generazione elettrica. Anche questo è un segnale molto importante per il mondo industriale. L aumento di efficienza energetica, che porta alle sostanziali riduzioni negli investimenti in centrali termoelettriche e infrastrutture di rete, comporta un aumento dell investimento in tecnologie di domanda (sempre cumulato dal 2005 al 2050) di quasi miliardi di dollari, rispetto allo scenario di riferimento. Naturalmente questo extra-costo di investimento lato domanda è compensato dalla riduzione dei consumi di energia. Tutto sommato, considerando un attualizzazione ad un tasso monetario del 5%, il costo complessivo netto attualizzato (cumulato fino al 2050) del sistema energetico nello scenario Map è di appena 100 miliardi di dollari superiore a quello dello scenario di riferimento. Vale a dire che i benefici ottenibili con i percorsi alternativi di sviluppo indicati dagli scenari ACT e TECH Plus sono economicamente del tutto sostenibili. Per inciso, il costo marginale di abbattimento delle emissioni di CO 2 risulta di circa 25 $/t nello scenario Map e supera invece i 40 $/t nello scenario No CCS. Conclusioni In definitiva, senza approfondire ulteriormente la disamina dei risultati dei complessi calcoli modellistici che hanno portato alla definizione degli scenari alternativi ACT e TECH Plus e rimandando al rapporto ETP per tutti i dettagli, dalle considerazioni sopra esposte emerge chiaramente come la sostenibilità del futuro energetico planetario, compromessa dai trend in atto, possa essere almeno in parte raggiunta mediante l accelerazione dello sviluppo tecnologico. Tale sviluppo può pensarsi articolato in 4 aree: efficienza energetica, cattura e stoccaggio dell anidride carbonica, fonti rinnovabili ed energia nucleare. Il ruolo di gran lunga più importante è giocato dall aumento dell efficienza energetica. Grazie al progresso tecnologico, opportunamente stimolato da meccanismi in grado di far maturare anticipatamente le tecnologie in fase di R&D ed incrementare l efficienza media degli stock oltre la crescita naturale, è dunque possibile sfruttare le grandi sacche di inefficienza del sistema energetico planetario per renderlo sostenibile. Al fine di preservare il clima terrestre, è necessario che all aumento dell efficienza energetica si affianchi la cattura e lo stoccaggio geologico dell anidride carbonica, indispensabile per contenere entro una soglia di circa 25 $/t di CO 2 il costo marginale di abbattimento delle emissioni climalteranti. Le fonti rinnovabili e l energia nucleare giocano pure un ruolo importante, sebbene quantitativamente minore delle altre due filiere tecnologiche, nello sviluppo sostenibile del sistema energetico mondiale. Alcune sorprendenti indicazioni dell ETP devono essere considerate molto attentamente nella definizione dei piani di sviluppo industriale di lungo periodo. Il dettaglio delle principali tecnologie energetiche di cui è prevista la diffusione negli scenari ACT e TECH Plus sarà presentato nella seconda parte dell articolo. 39