ENERGIA SU SCALA GALATTICA PARTE 2: PU DURARE LA CRESCITA ECONOMICA?

DI TOM MURPHY

Do The Math

Come abbiamo visto nel post precedente, gli Stati Uniti hanno aumentato l’uso di energia a un tasso del 2,9% l’anno dal 1650. Abbiamo appreso che il proseguimento di questo tasso di crescita, qualsiasi forma di tecnologia venga utilizzata, porterà a un calcolo delle temperature che, in solo alcune centinaia di anni, non provocherà un tiepido riscaldamento climatico, ma all’ebollizione della pelle. Cosa ci suggerisce tutto questo sulle prospettive a lungo termine della crescita economica, sempre che lo faccia?


La figura a sinistra mostra il tasso di crescita economica globale nello scorso secolo, come ricostruito da J. Bradford DeLong. All’inizio, l’economia è cresciuta a un tasso simile a quello della crescita dell’energia. Dal 1950 l’economia ha superato l’energia, crescendo a un tasso del 5% l’anno. Questa potrebbe essere un gran bella notizia: non abbiamo necessariamente bisogno di una crescita fisica per mantenere una crescita economica. Ma dobbiamo comprendere le fonti di questa crescita supplementare prima di essere sicuri che questa condizione possa sopravvivere a lungo. Dopo tutto, cinquanta anni non implicano una permanenza nel tempo.

La crescita economica mondiale per il secolo precedente, prendendo come riferimento il dollaro del 1990. Per la prima metà del secolo, l'economia ha registrato un tasso di crescita dell'energia pari al 2,9%, ma poi ha registrato un incremento del 5%, sorpassando il tasso di crescita dell'energia.

La differenza tra crescita economica ed energetica può essere suddivisa in guadagni di efficienza: otteniamo più lavoro per unità di energia e “tutto il resto”. L’ultima categoria comprende settori dell’attività economica non direttamente connessi con l’uso di energia. Più o meno si può pensare alle attività non produttive: finanza, settore immobiliare, innovazione e altri aspetti dell’economica del terziario. Il mio obbiettivo, da fisico, è quello di capire se l’impossibilità di una crescita fisica infinita (dell’energia, del cibo, della produzione) significhi che la crescita economica in generale sia destinata a finire o a invertirsi. Inizieremo con uno sguardo ravvicinato all’efficienza, poi si sposteremo a parlare di questioni più propriamente economiche.

Crescita esponenziale vs. crescita

lineare

Intanto, chiariamo cosa intendo quando parla di crescita. Intendo un tasso stabile di espansione frazionaria ogni anno. Ad esempio, il 5% di crescita economica significa che ogni anno avremo un’economia il 5% più grande dell’anno precedente. Questo ci porta a una dinamica esponenziale, che poi porta alle mie conclusioni. Se tu obietti che la crescita esponenziale sia irrealistica, allora siamo d’accordo. Ma una crescita di questo tipo è la base del nostro attuale sistema economico, quindi dobbiamo esplorarne le conseguenze. Se tu credi che potremmo salvarci passando a una crescita lineare, questo cambia radicalmente la scala del tempo, ma è anche la morta per la crescita economica.

Diciamo che ci fermiamo alla crescita del 5% e la rendiamo lineare, così che aumentiamo di un quantitativo fisso ogni anno, non una frazione fissa del livello di quell’anno. Raddoppieremo in 20 anni, e in un secolo sarebbe cinque volte più grande (contro le 132 volte più grande di una crescita esponenziale al 5%). Ma dopo 20 anni, il tasso frazionale è del 2.5%, e dopo un secolo è l’1%. In questo modo la crescita lineare affama la bestia economica e ci costringerebbe ad abbandonare il nostro sistema finanziario basato sul debito, gli interessi e i prestiti. Questo post tratta se si potrà mantenere la nostra odierna traiettoria esponenziale.

Aumentare l’efficienza: far

saltare i conigli fuori dal cappello

Sembra chiaro che, in linea di principio, bisognerà affidarsi alla sola efficienza per poter proseguire in una crescita economica, anche a fronte di un mancata aumento dell’utilizzo di energia nel futuro (che sarà inevitabile). L’idea è semplice. Ogni anno, i miglioramenti nell’efficienza ci consentiranno di illuminare più case, di produrre più merci dell’anno precedente, tutto questo con un consumo fisso di energia. Fortunatamente, i mercati stimolano una maggiore efficienza, così da poter godere dei frutti di un tam tam costante a favore di un’efficienza più alta. Se potessimo continuare a realizzare questo per sempre, potremmo mantenere una crescita economica per un tempo indefinito, e anche tutte le istituzione che sono basate su questa: gli investimenti, i prestiti, le banche, eccetera.

Ma quante volte potremmo riuscire a tirar fuori li coniglio dell’efficienza dal cilindro? A parte le macchine per il moto perpetuo (fantasia) e le pompe di calore (reali; discusse qui sotto), dovremmo sempre accontentarci di un’efficienza inferiore al 100%. Questo mette un confine a quanto guadagno potremmo riuscire a ottenere. Ad esempio, se qualche strumento inizia con un’efficienza del 50%, non c’è altro modo che restringere la sua performance di un fattore 2. Per comprendere quanto dovremmo guadagnare e con che velocità dovremmo aspettarci una saturazione, osserviamo quello che abbiamo realizzato nel corso della storia.

Il buono, il brutto e quello nella

media

Alcuni esempi positivi sono davanti a noi. I frigoriferi consumano metà dell’energia rispetto a 35 anni fa. Le auto delle famiglie che oggi fanno 40 miglia per gallone ne facevano metà negli anni ’70. Entrambi i casi indicano un 2% l’anno di miglioramento (raddoppiando nell’arco di 35 anni).

Non tutto ha avuto gli stessi notevoli miglioramenti. Il Boeing 747 ha stabilito uno standard per l’efficienza del volo aereo nel 1970 che è difficile oltrepassare. I motori elettrici, le pompe, i caricabatteria, la forza idroelettrica, la trasmissione elettrica – tra molte altre cose – sono vicine alla perfetta efficienza (spesso intorno al 90%). Le centrali elettriche che vanno a carbone, gas naturale o reazione nucleare hanno visto guadagni marginali nell’efficienza negli ultimi 35 anni: molto meno dell’1% l’anno.

Tutto considerato, potremmo quindi grosso modo affermare che l’efficienza totale è migliorata dell’1% l’anno negli ultimi decenni, essendo limitata tra lo 0% e il 2%. Questo corrisponde a un raddoppio nell’arco di 70 anni. Quanti altri raddoppi potremmo aspettarci?

Guadagni potenziali e limiti

Molte delle applicazioni su grande scala dell’ energia usano motori termici per estrarre energia utile dalla combustione o da altre fonti di calore. Tra queste ci sono gli impianti a combustibili fossili e quelli a energia nucleare che operano tra il 30 e il 40% di efficienza, mentre le auto operano al 15–25%. I motori termici sono responsabili di circa due terzi del nostro uso totale di energia (27% per i trasporti, 36% per la produzione elettrica, un po’ nell’industria). Il principio che l’entropia di un sistema chiuso non può mai diminuire pone un forte limite su quanta più efficienza si può fisicamente raggiungere in un qualsiasi motore termico. La massima efficienza teorica, in percentuale, è data da 100×(Th−Tc)/Th, dove Th e Tc indicano rispettivamente le temperature assolute (in Kelvin) della parte calda del motore termico e l’ambiente “freddo” dell’ambiente. Le limitazioni nell’ingegneria impediscono la realizzazione di un massimo teorico. Ma in ogni caso un motore termico che opera tra 1500 K (caldo per una centrale elettrica) e la temperatura dell’ambiente può al massimo raggiungere l’80% di efficienza. Quindi un fattore 2 di miglioramento è forse impraticabile per questi aspetti preponderanti.

Il contrario di un motore termico è una pompa di calore, che usa poca energia per un grande movimento. I condizionatori d’aria, i frigoriferi e alcuni sistemi di riscaldamento domestico usano questa tecnica. In modo quasi magico, il muovere una certa quantità di energia termica può richiedere meno dell’ammontare di energia per svolgere il compito. Per il raffreddamento, il limite della termodinamica all’efficienza è dato da 100×Tc/(Th−Tc), che esprimono di nuovo su scala assoluta. Un frigorifero (generalmente un freezer con un frigorifero alle sue spalle) che opera a temperatura ambiente potrebbe teoricamente raggiungere il 1100% di efficienza. Il tasso di efficienza dell’energia (EER), che viene indicato su molti dei nuovi dispositivi per il raffreddamento, è teoricamente limitato a 3,4×Tc/(Th−Tc), che in questo esempio è pari a 36. I frigoriferi di oggi raggiungono valori di EER di circa 12, quindi rimane solo un fattore 3. Lo stesso si può dire per il coefficiente di Performance (COP) per le pompe di calore, che è limitato a Th/(Th−Tc). Come i frigoriferi, queste hanno una prestazione di un fattore 2–3 dei limiti teorici.

L’illuminazione ha visto notevoli miglioramenti negli ultimi decenni, dalle performance della lampade a incandescenza di 14 lumen per Watt all’efficacia di quelle a fluorescenza che sono quattro volte migliori, circa 50–60 lumen per Watt. L’illuminazione a LED al momento raggiunge 60–80 lumen per Watt. Una fonte ideale di luce dovrebbe emettere uno spettro che chiameremmo bianco (avendo l’esatto spettro della luce del giorno), ma riuscendo a non avere emissioni fuori dal raggio visibile avremmo un’efficacia della luminosità pari 251 lm/W. I migliori LED sono ora entro un fattore 3 da questi limiti.

L’efficienza delle auto alimentate a benzina non può essere facilmente migliorata di un alto fattore (vedi le pompe di calore qui sopra), ma l’efficienza effettiva può essere migliorata in modo significativo passando ai treni elettrici. Mentre un’auto che fa 40 miglia con un gallone ha un motore a benzina col 20% di efficienza, un treno alimentato a batteria potrebbe raggiungere qualcosa come il 70% dell’efficienza (85% per la carica delle batterie, 85% per alimentare il motore elettrico). Il fattore di 3,5 nel miglioramento dell’efficienza suggerisce una prestazione effettiva di 140 miglia per gallone. Un avviso da fare: se l’elettricità in ingresso deriva da una centrale a combustibili fossili che opera al 40% di efficienza e al 90% di efficienza per la trasmissione, l’efficienza effettiva dal fossile alla locomozione si riduce al 25%, e non è quindi un gran passo in avanti.

Come menzionato sopra, un gran ventaglio degli strumenti più diffusi già operano vicino ai limiti della perfetta efficienza. Gli apparecchi elettrici in particolare possono essere incredibilmente frugali con l’energia. Che sembra non essere usata per produrre calore, il motivo principale per cui si attribuisce efficienza a quei dispositivi che non hanno come obbiettivo la generazione di calore: le centrali elettriche sono calde, i motori della auto sono caldi, la luce incandescente è calda. Dall’altro lato, le centrali idroelettriche sono fredde, le luce a LED sono fredde e una batteria di un’auto in carica rimane fredda.

In sintesi

Visto che i due terzi delle nostre risorse energetiche vengono bruciate nei motori termici e che questi non possono migliorare più di un fattore 2, guadagni notevoli ottenuti altrove hanno un valore meno importante. Ad esempio, rimpiazzare il 10% of del nostro budget energetico speso per calore diretto (ad esempio, nelle fornaci e negli scaldabagno) con pompe di calore che operano al massimo della loro efficienza teorica sostituisce una spesa del 10% con una dell’1%. Un fattore 10 sembra un miglioramento fantastico, ma il miglioramento dell’efficienza totale nella società è solo del 9%. Così come nella sostituzione delle lampade a incandescenza: forti guadagni in piccoli settori. Dovremmo comunque stimolare questi miglioramenti di efficienza con vigore, ma non ci potremo aspettare che questo ci consenta una crescita illimitata.

Sul piatto della bilancia il massimo che ci potremmo aspettare un fattore 2 di incremento dell’efficienza netta prima che i limiti teorici e le realtà progettuali pongano un freno. Al presente tasso generale dell’1%, ciò significa che dovremmo aspettarci di esaurire il guadagno in questo secolo. Alcuni potrebbero cavillare che il fattore 2 è pessimistico, e potrebbe preferire una fattore 3 o persino 4 per i guadagni nell’efficienza. Tali modifiche possono cambiare la tempistica della saturazione, non il risultato finale.

La fede nella tecnologia

Abbiamo sviluppato una fede incrollabile nella tecnologia per risolvere i nostri problemi. I suoi risultati sono impressionanti. Io stesso posso sedermi nella mia stanza da pranzo in California e puntare un laser in New Mexico per inviare impulsi ai riflettore piazzati su un’astronave sulla luna e misurare la distanza in millimetri. Ho costruito gran parte del sistema, quindi non sono alieno alla tecnologia e apprezzo le possibilità che offre. E poi abbiamo visto il futuro nei film, sembra quasi reale. Ma dobbiamo preoccuparci della fede e riesaminarne periodicamente la validità o le possibilità. Qui di seguito ci sono alcuni esempi fondamentali.

E le sostituzioni?

La precedente discussione è incentrata sulle tecnologie odierne: le centrali elettriche a carbone, per il ben di Dio! Ogni analisi che si rispetti del futuro a lungo termine dovrà riconoscere la quasi certezza che le soluzioni di domani saranno differenti da quelle di oggi. Potremmo non avere ancora un nome per la fonte energetica del futuro!

Intanto, vi rimando al post precedente: la crescita continuata di una qualsiasi tecnologia energetica – se consumata su questo pianeta – ci porterà all’ebollizione. Oltre a questo, raggiungeremo limiti astrofisici assurdi nell’arco di secoli. Quindi il livello di energia deve cessare la sua crescita. Allo stesso modo i limiti all’efficienza ci impediscono di aumentare l’energia disponibile senza un confine.

Inoltre, ci si potrebbe chiedere: non potremmo considerare il solare, l’eolico e altre fonti rinnovabili più efficienti dei combustibili fossili, visto che l’energia ci arriva gratis? È vero che, diversamente dal modello di business per una stampante (economica, ma con le cartucce così care che ti rovinano in breve tempo), il costo sostanziale delle rinnovabili è quello iniziale, e poco è dovuto alle cose consumabili. Ma i combustibili fossili, anche se hanno un’offerta limitata nel tempo, sono anche loro un dono di madre natura. Quindi dovremmo sforzarci di trovarli (e a questo punto non saranno più gratis), anche se il beneficio che portano sarà sempre minore. Un importante metro per valutare l’energia/efficienza è l’energia ritornata sull’energia investita (EROEI). I combustibili fossili hanno valore di EROEI generalmente tra 20:1 e 100:1, dovendo quindi destinare agli investimenti non più del 5% dei profitti ottenuti. Il solare e l’eolico ne hanno meno, rispettivamente 10:1 e 18:1. queste tecnologie potrebbe evitare di sprecare la maggior parte dell’energia dei motori termici, ma il più basso EROEI significa che c’è meno trippa per gatti. E sì, il 15% dell’efficienza di molti pannelli solari comporta che l’85% va a riscaldare il pannello.

Come fare per realizzare le stesse cose con meno?

Un modo per adeguarsi a una quantità fissa di energia sarebbe quello di inventare nuovi strumenti o tecniche che realizzino gli stessi compiti usando meno energia, piuttosto che migliorare incrementalmente l’efficienza degli apparecchi esistenti. Questo funziona benissimo in alcuni settori (ad esempio, i cambi generazionali nei computer, nei cellulari, il passaggio alle notizie e alla banca online).

Ma alcune cose sono veramente difficili da limare in modo sostanziale. Il trasporto globale comporta il muoversi in aria o sull’acqua su distanze che non riusciranno a stringersi. Cucinare significa riscaldare porzioni definite di cibo e di acqua. Riscaldare una casa contro il freddo invernale avrà bisogno di un certo ammontare di energia termica per una superficie prefissata. Una doccia calda richiede una certa quantità di energia per riscaldare un volume adeguato di acqua. Queste cose potranno essere fatte in modo che ci sia una migliore aero/idrodinamica o che si viaggi più lentamente; che il cibo richieda meno calore per cuocersi; con le pompe termiche o a insolazione nelle case e usando meno acqua per la doccia? Certo che sì. Questo potrà proseguire per sempre per mantenere la crescita? No. Fino a che queste attività fisicamente determinate riguarderanno una porzione finita del nostro portafoglio, nessun miglioramento marginale ci potrà permettere una crescita economica indefinita. Se lo facesse, alla fine l’attività economica sarebbe totalmente dominata dal farci “servizi” a vicenda, e non dalla produzione fisica.”

Perché pagare di più per ottenere meno?

I proprietari dei pannelli solari o delle auto Prius hanno deciso di gettare via un nel po’ di soldi per consumare meno risorse. Qualche volta queste decisioni non sono basate su un calcolo esatto dei dollari o dei centesimi, visto che il ritorno potrebbe essere a lunghissimo termine e potrebbe non essere competitivo contro il costo opportunità. La coscienza sociale potrebbe diventare tanto di moda da guidare tutta la crescita economica? Credo che sia possibile, ma di solito la maggioranza delle persone si interesserà a questo solo quando il costo dell’energia sarà sufficientemente alto. Qui di seguito, vediamo che, se l’economia continuerà il suo trend di crescita dopo che l’uso di energia si sarà appiattito, il costo dell’energia diventerà irrilevante, facendo così diminuire gli incentivi per pagare di più per ottenere meno.

L’economia non fisica

In un mondo finito dove la crescita dell’energia è terminata e l’efficienza si è spinta fino ai limiti pratici, ci possiamo ancora aspettare di far crescere l’economia con l’innovazione, la tecnologia e i servizi? Un modo per accostarsi al problema è quello di chiedere che venga mantenuto il 5% di crescita economica nel lungo periodo, e vedere quale frazione dell’attività economica dovrà venire dai settori che non richiedono energia. Iniziamo considerando che l’energia si appiattisca come in una funzione logistica (curva-S standard negli studi sulla popolazione), con un punto di inflessione nell’anno 2000 (a metà strada). Poi lasciamo che l’efficienza spinga la nostra energia effettiva al tasso attuale dell’1% di guadagno l’anno, saturando alla fine a un fattore 2. Il grafico qui sotto fornisce un chiaro esempio di come può apparire.

Il contributo previsto in un’economia che cresce stabilmente da attività non collegate all’energia mentre si appiattisce l’energia lorda disponibile e la saturazione dell’efficienza. La curva verde rappresenta il tasso dell’energia lorda disponibile ogni anno, mentre la curva blu è l’energia effettivamente utilizzabile grazie ai guadagni nell’efficienza. Senza considerare le grandezze temporali, il dato fondamentale è che la frazione dell’economia che non dipende dalla disponibilità di energia dovrà crescere fino a dominare tutte le altre attività per poter tenere la crescita in vita, raggiungendo il 98% alla fine del secolo. Questa è una condizione economica mai testata, e probabilmente fisicamente insostenibile. Da notare che l’asse verticale per le curve delle grandezze economiche è logaritmico.

La tempistica non è il fattore importante nel grafico, anche se non sarebbe sbagliato in linea di principio. Il risultato importante è che cercare di mantenere una crescita economica in un mondo che ha una flebile crescita di energia (forse accompagnata da una diminuzione della popolazione) e guadagni in calo per i miglioramenti dell’efficienza richiederebbe che sia l’“altra” categoria di attività a dominare l’economia. Questo significherebbe che una frazione sempre più piccola dell’attività economica dipenderebbe dall’energia, e quindi la produzione di cibo, la manifattura, i trasporti, eccetera, verrebbero relegati a un ruolo insignificante. Attività come vendere e comprare case già esistenti, le transazioni finanziarie, le innovazioni (compresi nuovi sistemi per mettere soldi in circolo), la moda e la psicoterapia saranno alla fine tutto quello che è rimasto. Conseguentemente, il prezzo del cibo, dell’energia e dei beni prodotti calerebbero a livelli insignificanti rispetto alle cose più virtuali. Ma è una cosa realistica che una risorsa vitale vicina al suo limite fisico diventi d’un tratto economica? Molto strano.

Questo scenario ha diversi problemi. Ad esempio, se la produzione di cibo si contraesse all’1% della nostra economia, rimanendo in valore assoluto allo stesso livello di oggi (dobbiamo mangiare comunque), allora il cibo sarebbe effettivamente molto economico in confronto a quanto dobbiamo pagare per godere dei frutti dell’economia nel suo complesso. Questo significherebbe che le paghe degli agricoltori sprofonderebbero molto più in basso rispetto agli altri membri della società, così che non potranno godere delle innovazioni e dei miglioramenti che il resto di noi potrà permettersi. I sussidi, le donazioni o un qualsiasi altro meccanismo per compensare gli agricoltori in modo generoso farebbe semplicemente ridurre l’”altra” economia, impedendogli di crescere in modo arbitrario, e di conseguenza limitando la crescita.

Un altro modo di considerare la questione: visto che tutti dobbiamo mangiare e una frazione certa e finita della nostra popolazione dovrà essere occupata nella produzione di cibo, il suo prezzo non potrà affondare a livelli proibitivamente bassi. L’economia si regge su un mondo fisico che è sempre stato connesso all’uso di energia (attraverso la produzione di cibo, la manifattura, il trasporto di merci nell’economia globale). È fantastico pensare che un’economia possa mollare gli ormeggi dai suoi riferimenti fisici ed essere dominata da attività non collegate alle limitazioni dell’energia, del cibo e della produzione.

Non sto dicendo che alcune industrie non cresceranno: ci sarà sempre crescita in alcuni settori. Ma la crescita netta sarà ostacolata. I vincitori non sconfiggeranno i perdenti.

E neppure sto dicendo che alcune attività economiche non possano essere praticamente indipendenti dall’energia. Oggi ne potremmo trovare in abbondanza. Ma queste cose non possono crescere fino ad arrivare al 90%, poi al 99%, poi al 99,9%, eccetera, dell’attività economica totale, come sarebbero costrette a fare se la crescita economica dovesse continuare rapidamente.

Dove ci porterà tutto questo?

Anche nel post precedente, gli argomenti fisici sono stati utilizzati per spiegare che una crescita economica sostenuta nel lungo termine è pura fantasia. Forse per alcuni la cosa è ovvia. Dopo tutto, Adam Smith aveva immaginato una fase di duecento anni per la crescita economica, seguita da uno stato stabile. Ma la nostra mentalità è ancora centrata sulla crescita. I nostri sistemi economici si basano sulla crescita per gli investimenti, i prestiti e gli interessi per poter esistere. Se non ci metteremmo deliberatamente all’interno di una traiettoria stabile, rischiamo un collasso totale e ben poco pittoresco delle nostre istituzioni politiche.

Bisogna ammettere che la ragione per cui la crescita economica si fermerà non è un risultato diretto della fisica ma è perché sarà la crescita fisica a fermarsi. Ma oltre i limiti fisici, io credo che bisogna anche applicare le nozioni del senso comune e della psicologia umana. Il mondo artificiale che dobbiamo raffigurarci per mantenere in vita la crescita economica malgrado i limiti fisici mi sembra ridicolo e indifendibile. Sarebbe un’esistenza molto distante dai modelli soliti dell’attività economica umana. Nessuno vorrebbe partecipare in questa società balzana, preferendo invece spendere sempre di più per le limitanti merci fisiche e per l’energia, che ora sono tremendamente economiche, di modo che pochi individui possono facilmente permettersi di possederle tutte!

Riconoscendo la necessità di una transizione definitiva verso un’economia che non cresce, sono personalmente sconcertato dal fatto che non abbiamo testato un sistema economico che si basi su condizioni stabili. Vorrei avere un approccio conservativo e a basso rischio per il futuro e porre tutti con intelligenza in una direzione sostenibile. Ci sono modelli economici stabili ben sviluppati, introdotti da Herman Daly e da altri. Ci sono persino piani per una transizione per gradi della nostra economia verso una condizione stabile. Ma nessuno di questi passi verrà realizzato se le persone (che eleggono i politici) non lo desiderano davvero. L’unico modo perché questo avvenga sarà se comprenderanno (o esperiranno) l’impossibilità di una crescita economica continua e le conseguenze del non agire abbastanza in fretta. Spero che saremo tutti abbastanza intelligenti per operare questa transizione.

Riconoscimenti: Grazie a Brian Pierini per la sua recensione e per i commenti.

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Fonte: http://physics.ucsd.edu/do-the-math/2011/07/can-economic-growth-last/"

14.07.2011

Traduzione per www.comedonchisciotte.org a cura di SUPERVICE