DI TOM MURPHY
Do The Math
The Oil Drum
Dall’inizio della Rivoluzione Industriale, abbiamo assistito a un’impressionante crescita del consumo di energia da parte della civilizzazione umana. L’estrapolazione dei dati dall’Energy Information Agency sull’uso di energia negli Stati Uniti dal 1650 (1635-1945, 1949-2009, includendo legname, biomasse, combustibili fossili, idrocarburi, nucleare, ecc…) ci mostra una traiettoria in crescita stabile, caratterizzata da un tasso di crescita annuo del 2,9% (vedi grafico). È importante comprendere la futura traiettoria della crescita dell’energia perché ovunque governi e organizzazioni fanno ipotesi basate sull’aspettativa che il trend della crescita continuerà come avviene da secoli, e uno sguardo al grafico suggerisce che si tratta di una considerazione davvero ragionevole.
Fig. 1. Consumo totale di energia negli USA in tutte le forme dal 1650. La scala verticale è logaritmica, quindi una curva esponenziale che viene da un tasso costante di crescita appare come una linea retta. La linea rossa corrisponde al tasso annuale di crescita del 2,9%.
Fonte dei dati: EIA
La crescita è diventata una normalità nelle nostre esistenze e diamo per certi la sua continuazione. La crescita porta molte cose positive come le auto, la televisione, i viaggi in aereo e gli apparecchi tecnologici. La qualità della vita migliora, lo stesso fa l’assistenza sanitaria e, a parte la proliferazioni di password da ricordare, la vita tende a essere più comoda col passare del tempo. La crescita porta con sé una promessa del domani, dando motivo per investire nello sviluppo futuro prima di un ritorno degli investimenti. La crescita è quindi la base per i tassi di interesse, i prestiti e l’industria finanziaria.
Siccome la crescita ha fatto la nostra stessa strada da “innumerevoli” generazioni, visto che tutti quelli che abbiamo incontrato o i nostri bisnonni l’hanno comunque provata, la crescita è centrale nella nostra descrizione di chi siamo e di cosa facciamo. Di conseguenza, siamo in difficoltà nell’immaginare una traiettoria differente.
Questo post fornisce un esempio calzante dell’impossibilità della crescita continua ai tassi attuali, anche in un lasso di tempo vicino. Per ragioni di opportunità, abbiamo abbassato la crescita energetica dal 2,9% a 2,3% l’anno così da avere un fattore 10 di incremento ogni 100 anni. Facciamo partire l’orologio oggi, con un livello globale di uso dell’energia di 12 terawatt (e quindi ogni cittadino del pianeta ha mediamente a disposizione 2.000 watt del totale). Cominceremo con le considerazioni di senso comune, e poi pian piano lasceremo correre la nostra immaginazione, anche se troveremo che abbiamo raggiunto il limite prima di quanto pensassimo. Ammetto fin dall’inizio che le considerazioni alla base di questa analisi sono molto lacunose. Ma questo diventerà, alla fine, la sua forza.
Una corsa verso la galassia
Sono sempre stato impressionato dal fatto che arriva tanta energia solare in un’ora sulla Terra quanta ne consumiamo in un anno. Quante speranze ci sono in questa frase! Ma non ci facciamo prendere dall’emozione, per ora.
Solo il % della luce solare incidente entra nel bilancio energetico terrestre, il resto rimbalza immediatamente sulle nuvole, l’atmosfera e la terra senza essere assorbita. Inoltre, essendo creature terrestri, dobbiamo limitare i nostri pannelli solari al suolo, occupando il 28% della superficie del pianeta. Infine, consideriamo che il solare fotovoltaico e quello termico hanno di solito un efficienza del 15%. Prendiamo il 20% per i nostri calcoli. Il risultato netto è di circa 7.000 TW, circa 600 volte il nostro uso attuale. Un bel po’ di margine, vero?
Quando arriveremo a questo limite con un tasso di crescita del 2,3%? Ricordiamoci che ci espandiamo di un fattore 10 ogni cento anni, così in 200 anni, siamo a 100 volte il valore attuale, e raggiungeremo 7.000 TW in 275 anni. 275 anni sembra essere un periodo troppo lungo nella scala temporale umana, ma non è così lungo per la civilizzazione. E pensate al mondo che abbiamo appena creato: ogni metro quadro di terra è coperto da pannelli fotovoltaici! Dove lo prendiamo il cibo?
Ora cerchiamo di allentare i freni. Sicuramente in 275 anni saremmo abbastanza intelligenti da superare il 20% di efficienza per una così importante risorsa globale. Facciamoci beffe dei limiti della termodinamica e parliamo del 100% di efficienza (sì, abbiamo iniziato la parte creativa di questo viaggio). Questo ci dà un fattore 5, ossia 70 anni. Ma chi ha bisogno degli oceani? Rivestiamoli con pannelli solari al 100% di efficienza. Altri 55 anni. In 400 anni, andiamo a sbattere sul muro solare della superficie terrestre. Questo è importante, perché la biomassa, il vento e la generazione idroelettrica derivano dalla radiazione solare e i combustibili fossili rappresentano la batteria terrestre caricata dall’energia solare per milioni di anni. Solo il nucleare, il geotermico e il movimento delle maree non derivano dalla luce del sole, e le ultime non sono importanti per la nostra analisi, solo pochi terawatt a testa.
Ma il grosso limite dell’analisi precedente è dato dalla superficie terrestre, per quanto bella sia. Guadagniamo solamente 16 anni raccogliendo il 30% supplementare di energia che se ne schizza via all’istante, così la grande spesa sostenuta per aver installato uno schieramento di pannelli fotovoltaici per circondare la Terra non è stata molto utile. Ma perché confinarci sulla Terra, visto che c’è lo spazio? Pensiamo in grande: circondiamo il sole di pannelli solari. E visto che ci siamo, diamo anche a loro un’efficienza del 100%. Non ci preoccupiamo del fatto che una struttura di 4 mm che circonda il sole alla distanza dell’orbita terrestre richiederebbe materiali pari a quelli presenti sulla Terra intera, e poi si parla di materiali molto particolari. Questo ci consente di continuare con una crescita di utilizzo dell’energia pari al 2,3% per 1350 anni dal momento attuale.
A questo punto potrai aver capito che il nostro sole non è l’unica stella nella galassia. La Via Lattea ospita 100 miliardi di stelle. Tanta energia che viene proiettata nello spazio, pronta per essere raccolta. Ricordatevi che ogni fattore 10 ci porta 100 anni in avanti. Cento miliardi è il fattore undici di 10, quindi abbiamo altri 1100 anni. Per questo, fra circa 2500 anni, staremmo usando una quantità di energia pari a una grande galassia. Sappiamo abbastanza precisamente quello che gli umani facevano 2500 anni fa. Credo di poter dire con certezza di sapere che non potremo fare quello che facciamo ora per altri 2500 anni.
Fig. 2. La domanda globale di energia con una crescita del 2,3% in scala logaritmica. In 275, 345 e 400 anni, avremo bisogno di tutta la luce solare che colpisce il suolo e poi la superficie interna, assumendo rispettivamente il 20%, il 100% e il 100% di conversione di efficienza. In 1350 anni, utilizzeremo tanta energia quanta ne genera il sole. In 2450 anni, ne useremo tanto quanta ne emettono le centinaia di miliardi di stelle della Via Lattea. Le note verticali forniscono una prospettiva storica su quanto siano distanti questi limiti nel contesto della civilizzazione.
Ma perché solo il solare?
Alcuni lettori potrebbero obbiettare della precedente focalizzazione sull’energia solare o stellare. Se sogniamo in grande, dimentichiamo i limiti posti dalla flebile energia solare e adottiamo la fusione. L’abbondanza di deuterio nell’acqua ci consente di avere un’apparentemente inesauribile fonte di energia proprio qui sulla Terra. Non entreremo nel dettaglio della questione, perché non ci serve. La crescita impietosa mostrata sopra significa che fra 1400 anni ogni fonte di energia che sfruttiamo farebbe splendere il sole.
Fatemi riaffermare un punto importante. Non importa quale sia la tecnologia, un tasso di crescita dell’energia pari al 2,3% richiederebbe la produzione di tanta energia quanto emette il sole intero fra 1400 anni. Una parola di avvertimento: quella centrale energetica diventerà un po’ calduccio. La termodinamica stabilisce che se generiamo un’energia comparabile a quella del sole sulla Terra, la superficie terrestre, essendo più piccola di quella solare, dovrebbe essere più calda di quella del sole!
I limiti della termodinamica
Possiamo indagare con più esattezza i limiti termodinamici del problema. La Terra assorbe abbondante energia dal sole, molto più delle necessità attuali della società. La Terra si libera di questa energia irraggiando lo spazio, principalmente con onde infrarosse. Non ci sono altri modi per lo smaltimento del calore. L’assorbimento e l’emissione sono infatti quasi in pareggio. Se così non fosse, la Terra si riscalderebbe lentamente o si raffredderebbe. In effetti, abbiamo diminuito la possibilità di fuga delle radiazioni infrarosse, che hanno portato al riscaldamento globale. Comunque, siamo ancora bilanciati, con meno dell’1% di differenza. Siccome la quantità di calore emessa da un corpo irradiato è pari alla quarta potenza della sua temperatura (quando espressa in termini assoluti, come Kelvin), possiamo calcolare la temperatura di equilibrio della superficie terrestre visto il carico addizionale fornito dalle attività umane.
Fig 3. La temperatura sulla superficie terrestre, data una crescita dell’energia del 2,3%, ipotizzando che altre fonti rispetto alla luce solare siano utilizzate per fornirci l’energia richiesta e che il suo avvenga sulla superficie del pianeta. Anche una fonte da sogno come la fusione ci porterebbe a condizioni insopportabili in poche centinaia di anni se la crescita dovesse continuare. Da notare che la scala verticale è logaritmica.
Il risultato è mostrato qui sopra. Già da prima, sappiamo che se ci confiniamo sulla superficie terrestre, esauriremo il potenziale solare in 400 anni. Per poter proseguire la crescita dell’energia oltre questo periodo, dovremmo abbandonare le rinnovabili – praticamente tutto quello che viene dal sole – per la fissione/fusione nucleare. Ma l’analisi termodinamica dice che ci arrostiremo comunque.
Fermiamo questa follia!
Lo scopo di questa argomentazione è di evidenziare l’assurdità che risulta dalla considerazione che possiamo continuare ad aumentare il nostro uso di energia, anche se lo faremo in modo più parco degli ultimi 350 anni. Questa analisi è un bersaglio facile per le critiche, dati i paraocchi presenti fin dalle premesse. Mi piacerebbe distruggerla da solo. Intanto, la crescita continuata dell’uso di energia potrebbe non essere necessario se la popolazione umana si stabilizzasse. Alla fine, il tasso di crescita dell’energia del 2,9% che abbiamo avuto potrebbe attenuarsi se il mondo si satura di persone. Ma non lasciamoci sfuggire l’assunto principale: la crescita continua dell’uso di energia diventa fisicamente impossibile entro un lasso di tempo ragionevole. L’analisi precedente offre un bel modo per dimostrarlo. Ho scoperto che è un argomento inoppugnabile che fa scattare le persone verso l’apprezzamento dei sani limiti alla crescita infinita.
Una volta capito che la crescita fisica un giorno dovrà cessare (o invertirsi), potremmo comprendere che tutta la crescita economica dovrà finire allo stesso modo. Questo ultimo punto potrà essere duro da digerire, vista la nostra capacità rinnovare, di migliorare l’efficienza, eccetera. Ma questo argomento verrà trattato in un altro post.
Riconoscimenti
Ringrazio Kim Griest per i commenti e per aver avuto l’idea che in 2500 anni riusciremo a esaurire la Via Lattea, e ringrazio Brian Pierini per gli utili commenti.
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Fonte: http://physics.ucsd.edu/do-the-math/2011/07/galactic-scale-energy/
12.07.2011
Traduzione per www.comedonchisciotte.org a cura di SUPERVICE
cirano60 30 luglio 2011
Era da tempo che non partecipavo a questo forum, al login il sito mi ha proposto la domanda : sei umano rispondo sì varie volte ma niente da fare no login.
Dopo vari tentativi ho risposto no non sono umano e finalmente ho potuto postare questo mio umile commento secondo voi c'è da preoccuparsi?.
E veniamo al tema dell'energia da qualche anno è diventato il problema che è sulla bocca di tutti anche di quelli che la aprono soltanto per dargli fiato. I post di Bardi è esemplificativo al riguardo la foto del sarchiapone a fusione fredda sembra una italia ingessata capovolta , ingessata come la testa di tanti nostri concittadini che dibattono su argomenti su cui bisognerebbe tacere specialmente quelli scientifici;
molti lettori si sono scagliati contro le argomentazioni di Bardi definendolo un cicapparo che vuole oscurare con argomentazioni da debunker la bellezza della presunta scoperta scientifica dei due prof di bologna; non è detto che uno che sostiene spesso tesi sbagliate non possa qualche volta dire cose sensate. A me tutto lo scalpore mediatico riservato all'annunciazione dell'Habemus energia mi è parso esagerato e la fusione fredda una tipica sola all'italiana; ci si domanda allora il perchè ma per una ragione vecchia come il mondo fare un pò di soldi con conferenze,studi di progetto,istituzione di cattrede universitarie il bailamme delle tv giornali e web . Io sono scettico per esempio ad una domanda di un giornalista su quanta energia producesse l'accrocco uno dei due 'inventori' ha risposto : "ehm 14 kwh per ora con un imput di 1kw" -vedere su youtube per credere-; forse era confuso in mezzo a quella kermesse piena di ricercatori, scienziati fotonici superlaureati ,perdigiorno di pura razza italica; chissa quanta è costata quella dimostrazione della scoperta del nuovo millenio.
Sarebbe bastato che qualcuno avesse chiesto con ingenuità : ma perchè non colleghi quel fottuto tubo di scarico del vostro accrocco a 4 termosifoni e vedere l'effetto che fà
e vedere se è come a casa nostra dove una centralina a metano di 20kw ti riscalda una casa intera.
Secondo me l'arma vincente degli americani è nel loro pragmatismo: non si illudono di trovare improbabili fate turchine non elargiscono cattedre universitarie ai donchischotte della fisica e men che meno gli scuciscono un centesimo per le loro ricerche: presero a calci nel culo i due della fusione fredda facendoli atterrare sulla bella e generosa europa che ospita e mantiene tutti;comunque se esiste la fredda c'è pure la calda, sono 50 anni che i ricercatori la cercano senza finora averla mai trovata. Questa ricerca è costata qualche miliardino.
Chissà forse mancano i veri geni dei tempi passati : fermi,ophenaimer,teller,bohr,plank etc.
Gente che con i loro calcoli teorici stabilirono che in una reazione a caterna l'urto di un singolo neutrone non avrebbe prodotto istantaneamente altri neutroni ma in base ai loro calcoli si fisica-matematica stabilirono che il rilascio sarebbe avvenuto con un ritardo di qualche decimo di secondo-mi sembra 0,4sec-e con questa legge fisica prevista dalle loro teorie e sperimentata , fù previsto che la reazione nucleare si sarebbe svolta in maniera regolare . Soltanto immaginiamo quale certezza possedevano della loro scienza fisica matematica, mentre calavano le sbarre di combustibile tranquilli che la loro centrale non sarebbe esplosa come una mega bomba atomica.