James Abbott McNeill Whistler (Lowell, Massachusetts, 1834 - Londra, 1903) - Black and Emerald: Coal Mine

Perché i combustibili fossili sono così difficili da abbandonare

di Achille De Tommaso

Quando si considerano i costi e i benefici ambientali dell'abbandono dei combustibili fossili, in particolare nei settori dei trasporti e dell'industria, dobbiamo tenere conto dell'intero ciclo di vita di ciascuna fonte di energia.

La verità è che la transizione completa verso un'economia basata sull'energia “pulita” richiederà un enorme, e alcuni sostengono, una quantità insostenibile di materie prime; e di terra.  E comunque dobbiamo considerare che il petrolio non serve solo per procurarci carburante per i trasporti (v. appendice).

L'uso di combustibili fossili da parte dell'umanità sembra stia danneggiando gravemente il nostro ambiente. Essi causano inquinamento locale dove vengono prodotti e utilizzati; e il loro uso continuo pare causi danni permanenti al clima di tutto il nostro pianeta. Tuttavia, abbandonarli significativamente può essere difficile, molto difficile.

Per capire il problema dobbiamo iniziare con la comprensione del sistema dei combustibili fossili, ovvero come viene prodotta e utilizzata l'energia.  

Capiamo innanzitutto l’importanza storica dei combustibili fossili.

Man mano che la popolazione umana è cresciuta e si è urbanizzata, il sistema energetico a base biologica, utilizzato per millenni, ha portato problemi. Il legno è cominciato a scarseggiare nel 1500, poiché non veniva utilizzato solo come combustibile, ma anche come materiale da costruzione. Foreste un tempo lussureggianti furono quindi spogliate. C’è stata poi, per secoli, un’altra molto diffusa energia biologica altamente inquinante, quella degli animali da trasporto; nel 1900, ad esempio, circa 50.000 cavalli trainavano taxi e autobus per le strade di Londra. Questo fatto creava un'enorme quantità di rifiuti. Scriveva Lee Jackson nel suo libro " Dirty Old London ", che, nel 1890, l'immensa popolazione di cavalli di Londra generava circa 1.000 tonnellate di sterco al giorno. Tutto questo letame attirava anche le mosche, che diffondevano malattie. Il sistema di trasporto stava letteralmente facendo ammalare le persone. L'era pre-fossile non era quindi l'utopia che immaginiamo.

I combustibili fossili hanno aperto invece nuove porte all'umanità. Essi si sono formati, nei secoli, dalla trasformazione di piante, attraverso la pressione e la temperatura; nel corso da decine a centinaia di milioni di anni, immagazzinando praticamente l'energia del sole. I combustibili risultanti hanno liberato l'umanità dalla sua dipendenza dalla fotosintesi (il legno) come fonte di energia primaria.

In fondo questi combustibili rappresentano una forma di energia solare che è stata possibile immagazzinare.

Dopo il legno, prima il carbone, poi il petrolio e il gas naturale hanno permesso una rapida crescita dei processi industriali, dell'agricoltura e dei trasporti.  La salute e il benessere dell'uomo sono notevolmente migliorati e la popolazione mondiale è aumentata da 1 miliardo nel 1800 a quasi 8 miliardi di oggi. I combustibili fossili hanno alimentato la rivoluzione industriale, hanno tirato fuori milioni di persone dalla povertà e hanno plasmato il mondo moderno.

Come la densità energetica e la convenienza hanno guidato la crescita dei combustibili fossili

La prima vera, grande, transizione energetica è stata quindi dal legno al carbone; a partire dalle applicazioni nell’industria del ferro nei primi anni del 1700. Nel 1900, infatti, il carbone è stato il principale combustibile industriale. Il carbone ha tre volte la densità energetica in peso del legno secco ed è ampiamente distribuito in tutto il mondo. Il carbone divenne presto il carburante preferito per navi e locomotive, consentendo loro di dedicare meno spazio allo stoccaggio del carburante.

Il petrolio è stata la successiva grande fonte di energia. Gli americani fanno risalire l'inizio dell'era del petrolio al primo pozzo petrolifero commerciale degli Stati Uniti in Pennsylvania nel 1859, ma il petrolio veniva usato e venduto nell'odierno Azerbaigian, e in altre aree, secoli prima.  Tuttavia, il petrolio ha trovato la sua vera vocazione nel settore dei trasporti. L'era del petrolio è davvero decollata con la produzione della auto, che, anche se iniziata in maniera quasi sperimentale a fine 1800, vide il reale decollo con la produzione della Ford Model-T nel 1908 in grande serie (15 milioni di esemplari realizzati).  Ma il vero boom del trasporto personale avvenne dopo la seconda guerra mondiale.  

Anche se le risorse petrolifere non sono distribuite in tutto il mondo come il carbone, il petrolio ha vantaggi significativi sul carbone. I combustibili prodotti dal petrolio sono ideali per il trasporto. Sono liquidi piuttosto che solidi, consentendo uno stoccaggio ottimale. Ma, cosa più importante, sono ad alta densità energetica, con una media del doppio del contenuto energetico del carbone, in peso.  

L’elettricità viene per lo più generata usando combustibili fossili; soprattutto carbone!

Uno sviluppo chiave nell'uso dell'energia mondiale è stato l'emergere dell'elettricità nel XX secolo. L'elettricità non è una fonte di energia come il carbone o il petrolio, ma un metodo per fornire e utilizzare l'energia.

Nel corso del XX secolo, il sistema energetico si è trasformato da un sistema in cui l'energia fossile veniva utilizzata direttamente in uno in cui una parte importante dei combustibili fossili viene utilizzata per generare elettricità. La proporzione utilizzata nella produzione di elettricità varia a seconda del combustibile. Poiché il petrolio - un liquido denso di energia - è così adatto allo scopo nei trasporti, poco di esso va all'elettricità; al contrario, circa il 63% del carbone prodotto nel mondo viene utilizzato per generare elettricità. Altri metodi per generare elettricità, che non si basano sui combustibili fossili, come la generazione nucleare e idroelettrica, sono importanti nel sistema energetico di alcune aree del globo; tuttavia, i combustibili fossili sono ancora la spina dorsale del sistema elettrico, generando il 64% dell'offerta globale odierna.

La tabella sottostante può quindi sorprendere: nell’uso dei combustibili fossili per produrre elettricità il petrolio ha una parte minima, se confrontata con quella del carbone. Sono dati del 2019, ma non credo che il mondo dell’energia sia cambiato molto in due anni.

E comunque ancora oggi i combustibili fossili sono insostituibili per alcuni processi industriali.

I processi industriali che richiedono un calore molto elevato, come la produzione di acciaio, cemento e vetro, rappresentano un'altra sfida. Gli altiforni in acciaio funzionano a circa 1.100°C, e i forni per il cemento funzionano a circa 1.400°C. Queste temperature molto elevate sono difficili da raggiungere senza bruciare un combustibile (fossile) .

E l’idrogeno?

L'idrogeno come soluzione universale per il contenimento climatico, secondo alcuni scienziati, potrebbe essere una “falsa promessa"

Secondo un team di ricerca svizzero-tedesco, l'idrogeno e i combustibili a base di idrogeno non saranno in grado di svilupparsi abbastanza velocemente da sostituire i combustibili fossili e affrontare il cambiamento climatico. Gli scienziati citano prezzi troppo alti, scarsità di combustibile a breve termine e incertezza della reale efficienza sul lungo termine, come ragioni principali del loro scetticismo.

Questa conclusione è stata tratta da una ricerca condotta da scienziati dell'Istituto di Potsdam per la ricerca sull'impatto climatico, in Germania, e dell'Istituto Paul Scherrer, in Svizzera. (v. riferimenti)

 Il problema è che, attualmente, per produrre idrogeno si usano un certo numero di sistemi; ne descrivo tre, i primi due sono quelli più tradizionali:

1. DA IDROCARBURI, mediante vari processi (reforming di gas, gassificazione del carbone, ossidazione parziale degli idrocarburi).
2. CON L'ELETTROLISI DELL’ACQUA; non sono necessari prodotti fossili, potendo così produrre l'idrogeno con energia elettrica; in quella che viene chiamata "Economia dell'Idrogeno". Ma, per non incorrere nel circolo vizioso di uso di idrocarburi, l’energia elettrica usata deve essere quella di fonti rinnovabili, così da ottenere nuova energia pulita e rinnovabile. In passato, l'elettricità consumata aveva più valore energetico dell'idrogeno prodotto, quindi le industrie hanno accantonato l'elettrolisi dell'acqua come metodo di produzione dell'idrogeno.

Mediamente per produrre un kg di idrogeno occorrono infatti dai 50 ai 65 kWh di energia con il metodo classico. Un elettrolizzatore ad acqua ideale con un'efficienza del 100% consumerebbe 39,4 kWh per kg di idrogeno.

3. POWER PASTE. Il mercato delle idee sull'idrogeno è pieno di soluzioni ipotetiche; alcune migliori di altre, ma tutte hanno diverse quantità di problemi da risolvere, prima di poter essere ampiamente utilizzate. Questa tecnologia sembra promettente, ma devono essere superati enormi passaggi logistici in termini di preparazione della pasta, produzione di cartucce per l'inserimento e realizzazione dell'infrastruttura di rifornimento e smaltimento o riciclaggio per le cartucce esaurite, principalmente di magnesio.

Questo è il problema fondamentale dell'industria dell'idrogeno, ovvero che l'idrogeno è chimicamente e finanziariamente costoso da separare in una forma utilizzabile. Oggi, la maggior parte dell'idrogeno combustibile viene elaborato da combustibili fossili. L'idrogeno pulito è raro e deve essere lavorato parecchio prima che possa competere in una scena energetica veramente rinnovabile.

"Se utilizziamo combustibili a base di idrogeno invece di alternative di elettrificazione diretta, è necessaria da due a 14 volte la quantità di elettricità generata, a seconda dell'applicazione e delle rispettive tecnologie", ha spiegato il coautore della ricerca Romain Sacchi. “Le perdite di efficienza si verificano nel processo di produzione dei combustibili a base di idrogeno”

Gli accademici hanno definito l'attuale corsa all'idrogeno verde o blu e agli e-fuel come una "potenziale distrazione" dal compito di elettrificare l'economia globale a mezzo di energia eolica e solare, che sostengono sia più urgente, nonché più economica e più facile da ottenere. I costi dell'e-fuel, d'altra parte, potrebbero diventare competitivi solo se i prezzi del contenimento della CO2 aumenteranno in modo significativo entro la fine di questo decennio, uno scenario che il gruppo di ricercatori ha descritto come piuttosto improbabile.

“Anche supponendo il 100% di elettricità rinnovabile, i costi per evitare una tonnellata di emissioni di CO2 utilizzando combustibili a base di idrogeno sarebbero attualmente di 800 euro per i combustibili liquidi e di 1.200 euro per i combustibili gassosi, ha spiegato il team di ricerca. "E questo costo è molto più alto di quello attuale per il contenimento della CO2, che, secondo quanto afferma lo European Emission Trading Scheme, è inferiore ai € 50 per tonnellata".

 Secondo i suoi calcoli, i combustibili a base di idrogeno potrebbero essere competitivi in ​​termini di costi, entro il 2040, ma potrebbe essere troppo tardi per fare affidamento sull'idrogeno come soluzione climatica.  

"I combustibili basati sull'idrogeno come soluzione climatica universale potrebbero essere un po' una falsa promessa", ha concluso Ueckerdt. "Anche se sono meravigliosamente versatili, non ci si dovrebbe aspettare che sostituiscano ampiamente i combustibili fossili".

Riferimenti

6 maggio 2021 https://www.nature.com/articles/s41558-021-01032-7

Maggio 2021    https://www.pv-magazine.com/2021/05/11/hydrogen-as-a-universal-climate-solution-might-be-a-bit-of-false-promise/

Appendice - Elenco parziale di prodotti a base di petrolio (144 di 6000 articoli)

Fonte EIA - https://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=oil_home#tab1

Fonte VIA - https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=41&t=6

Un barile di petrolio da 42 galloni crea 19,4 galloni di benzina. Il resto (più della metà) viene utilizzato per fare cose come: