L'Asino e il Ciclista: paradossi delle energie rinnovabili
Questo articolo discute il „paradosso del ciclista“ descritto da Zanchini e Morini in un articolo recente, ovvero la possibilità di utilizzare muscoli, umani o animali, per generare elettricità. Questo metodo potrebbe avere un efficienza interessante dal punto di vista puramente energetico ma, nella pratica, le aree coltivate per nutrire i ciclisti (o asini o altri animali) sarebbero talmente ampie da rendere l’idea improponibile. L’uso diretto o indiretto dei biocombustibili come fonte energetica è interessante per molti scopi ausiliari, ma non è comparabile con l’energia fotovoltaica che è almeno due ordini di grandezza più efficiente nell’uso del territorio.
Con gli alti prezzi del petrolio che vediamo in questi ultimi tempi, uno si potrebbe domandare se, alla fine dei conti, valga veramente la pena di impestarsi con robaccia nera da trasportare fin qui dal Medio Oriente, dalla Russia o da chissà dove. Non ci potrebbe essere un metodo migliore per riscaldarsi, rifornire le automobili, e magari accendere le lampadine? In fondo, per accendere una lampadina basta una dinamo.
Era la cosa che si faceva, e si fa tuttora, con le biciclette. Si pedala, si fa girare la dinamo e la lampadina si accende. Non potremmo fare la stessa cosa con le lampadine di casa? Incidentalmente, sarebbe un buon modo per dare lavoro ai disoccupati. (a destra: sistema dimostrativo a pedali collegato a un generatore, da www.peterassociates.com).L’esempio della bicicletta/dinamo/lampadina è stato descritto in un lavoro recente di Zanchini e Morini (Z&M) come una critica al concetto di “tempo di ritorno energetico” come criterio di giudizio della bontà di una tecnologia. Il tempo di ritorno energetico (in inglese, Energy Payback Time, EPT) è il tempo necessario per cui un certo sistema di produzione di energia restituisca un energia equivalente a quella necessaria per costruire il sistema stesso. Una tecnologia è, ovviamente, tanto migliore quanto più basso è l’EPT. In particolare, gli ultimi sviluppi della tecnologia fotovoltaica hanno portato a dei valori del tempo di ritorno energetico di soli pochi anni (meno di 5), sfatando la persistente leggenda che vuole che sia necessaria più energia per costruire un pannello fotovoltaico di quanta il pannello stesso possa restituire nella sua vita attiva.
Rimane però un problema. Se le celle FV sono così efficienti, come mai costano così tanto? In effetti, il tempo di ritorno finanziario di un pannello fotovoltaico è molto più lungo di quello del ritorno energetico: si parla di qualche decennio ai prezzi attuali dei pannelli. La spiegazione viene di solito trovata nella necessità per i produttori di recuperare le forti spese di ricerca e sviluppo che hanno sostenuto. Z&M sostengono invece che la spiegazione è un’altra. Propongono che nel giudicare un sistema energetico si tenga conto di quello che loro chiamano il “costo energetico pieno”, che include oltre ai costi di manifattura il fabbisogno energetico (anche privato) delle persone che sono coinvolte nel processo di realizzazione e di gestione dell’impianto. In altre parole, se i tecnici della fabbrica di celle solari vanno in vacanza alle Maldive, l’energia del carburante dell’areo dovrebbe essere aggiunta al costo energetico delle celle.
Per giustificare questa proposta, Z&M descrivono quello che chiamano il “paradosso del ciclista” che è, appunto, l’idea di utilizzare una dinamo collegata a una bicicletta per accendere una lampadina. Secondo Z&M, il tempo di ritorno energetico del sistema è bassissimo, praticamente nullo dato che il costo energetico della bicicletta e della dinamo è basso. Se usiamo questo solo criterio, dunque, la bicicletta/dinamo è un ottimo sistema di produzione di energia. Ma, ovviamente, mettere una persona a fare questo lavoro non ha senso. Un uomo normale in buona forma fisica puo’ tenere accesa una lampadina – diciamo – da 60 Watt per otto ore al giorno (una fatica bestiale, comunque), ovvero produrre qualcosa come 0.5 kWh (1.8 MJ) al giorno. Dato che il costo attuale dell’energia elettrica è di qualche eurocent per kWh (3.6 MJ), ne consegue che la cosa non sarebbe conveniente neanche se avessimo a disposizione gli schiavi del tempo delle piantagioni di cotone.
L’interpretazione di Zanchini è Morini è che bisogna tener conto anche dell’energia che il ciclista consuma a casa sua e che questa è la spiegazione del paradosso. Concludono dicendo che „Il paradosso del ciclista sopra illustrato evidenzia che il metodo di analisi energetica usato attualmente è ingannevole. Esso può indurre a considerare come possibili soluzioni del problema energetico (mondiale o nazionale) tecniche che sono del tutto inadeguate a coprire fabbisogni energetici dell’ordine di grandezza di quelli attuali.” E’ evidente dal contesto del loro articolo che Z&M si riferiscono all’energia fotovoltaica quando parlano di soluzioni “del tutto inadeguate”.
Cosa dobbiamo pensare di questa interpretazione? Francamente, lascia un po’ perplessi. Quelli di noi che usano, quando possibile, la bicicletta per spostarsi sanno che risparmiano, non inquinano e che la cosa fa bene anche alla salute. La prima impressione, quindi, è che ci sia qualcosa che non va con questo “paradosso.” Se uno che va a lavorare in bicicletta dovesse sommare ai costi di trasporto anche il costo – diciamo – del riscaldamento di casa, della lavatrice, del televisore, e di chissà che altro, non sarà che in fin dei conti viene fuori che in nome dell’efficienza energetica dovremmo buttar via le nostre biciclette e comprare invece delle SUV? Questo non è, evidentemente, quello che Z&M intendevano dire, ma ci sono comunque dei problemi con la loro proposta.
Basti pensare, in effetti, che quando Z&M dicono che il ciclista che tiene la lampadina accesa ha un ritorno energetico immediato ,si dimenticano che per “fabbricare” una persona in grado di pedalare ci vogliono almeno una quindicina d’anni (anche ammettendo di essere in un paese dove la legge consente di far lavorare i minorenni). Per calcolare la resa energetica del sistema, bisognerebbe tener conto di tutta l’energia, in forma di calorie alimentari, necessaria sia alla madre in gestazione sia per far crescere un ragazzo dall’infanzia alla maturità fisica. Quindi, il tempo di ritorno energetico del ciclista non è affatto immediato!
Ma, a parte la non piccola dimenticanza di cui sopra, la proposta di Z&M ha il difetto di perdere quello che è il vantaggio principale della valutazione energetica delle tecnologie, ovvero la sua generalità. Come potremmo valutare una tecnologia se dovessimo tener conto dello stile di vita di quelli che ci lavorano sopra? Lo stile di vita dipende – ovviamente - da fattori monetari e potrebbe venir fuori che pannelli fotovoltaici identici fabbricati, diciamo, in Corea del Nord sono energeticamente efficienti mentre quelli fabbricati in California no. Risultato come minimo ingannevole, dato che un joule di energia rimane sempre un joule sia in Corea come in California.
Infine, notiamo anche che la proposta di Z&M potrebbe finire per dimostrare il concetto opposto a quello che, apparentemente, gli autori stessi si propongono di dimostrare, ovvero che l'energia nucleare è una tecnologia migliore di quella fotovoltaica non sono una buona tecnologia energetica. Se dovessimo applicare consistentemente la proposta del “costo energetico pieno”, dovremmo applicarla anche all’energia nucleare. E’ probabile che questo criterio porterebbe a svantaggiare nettamente l’energia nucleare rispetto al fotovoltaico. L’energia nucleare richiede molta manodopera sia in fase di costruzione degli impianti, sia nella fase della loro manutenzione. Per non parlare poi di tutto il personale necessario per la sicurezza degli impianti nucleari contro attentati terroristici e attacchi militari, cose non necessarie per gli impianti fotovoltaici.
Tuttavia, il “paradosso del ciclista” non è privo di interesse e in un aspetto Z&M hanno centrato un punto interessante, ovvero che la resa energetica non è il solo criterio nel giudizio della bontà di una tecnologia energetica. Quello che condanna la produzione di energia elettrica mediante biciclette, in effetti, non è la bassa resa energetica del sistema dinamo/bicicletta ma la bassa resa del processo della fotosintesi che produce cibo per il ciclista.
Per esaminare questo punto, liberiamoci per prima cosa dell’immagine del ciclista umano che, come abbiamo detto, ci porta un sacco di incertezze dovute alla variabilità degli stili di vita. Pensiamo invece di utilizzare un asino, che mangia solo biada, non richiede stipendio e non va in vacanza alle Maldive. Ovviamente, gli asini non sono buoni ciclisti ma non ci sarebbe nessuna difficoltà ad adattare una dinamo al moto di un asino che spinge un palo in un moto circolare.
Era una cosa che si faceva comunemente nel passato, per esempio, per tirar fuori l’acqua dai pozzi, per macinare la farina, eccetera. (nella figura, da http://www.galenfrysinger.com/tunisia_1975.htm vediamo come negli anni 1970 gli asini erano tuttora usati in Tunisia per pompare acqua dai pozzi).Ora, l’ “energia asinina” è sicuramente una cosa piuttosto antipatica se vista dal punto di vista degli asini, ma avrebbe gli indubbi vantaggi di essere sostenibile e di produrre solo fertilizzanti come rifiuti. Si può inoltre supporre che un asino possa cominciare a lavorare a un età di un anno o poco più. Quindi, in linea di principio, il tempo di ritorno energetico dell’asino dovrebbe essere buono. Allora, perché nessuno propone seriamente di generare energia elettrica utilizzando asini?
Possiamo sicuramente scartare l’idea che siano gli animalisti più arrabbiati a impedire che una sorgente energetica sostenibile venga utilizzata su larga scala. Piuttosto, c’è un criterio economico che non abbiamo considerato: l’occupazione di suolo. Ovviamente, non è l’area che l’asino stesso occupa che conta, ma il fatto che per dargli da mangiare bisogna coltivare qualcosa; queste coltivazioni prendono spazio; questo spazio potrebbe invece essere utilizzato per altre cose. E questo ha un costo. Allora, facciamo un po’ di conti.
Partiamo dalla coltivazione del grano o di qualsiasi altro cereale, per la quale l’efficienza della conversione della luce solare mediante la fotosintesi clorofilliana è di meno dell’1%. Bisogna tener conto dei costi energetici di irrigazione, aratura, fertilizzazione, trasporto, eccetera. Diciamo, ottimisticamente, che la biada che arriva alla mangiatoia dell’asino ha in se lo 0.5% dell’energia solare che è stata irradiata sulla superficie coltivata. L’asino stesso converte questa energia chimica in energia muscolare con un’efficienza che possiamo prendere come circa il 10%. Dobbiamo poi considerare le perdite dovute alla trasmissione dell’energia, della dinamo, eccetera e il fatto che l’asino non può lavorare più di, diciamo, 12 ore al giorno (gli asini non hanno sindacati). In buona sostanza, otteniamo un’efficienza finale approssimativa di circa lo 0.01%. Con questa tecnologia, dunque, per un’insolazione media in Italia di 4.8 kWh/mq/giorno (17 MJ), 1 metro quadro di terreno coltivato produce 0.5 Wh/giorno (ovvero mezzo millesimo di kWh, ovvero 1.1 KJ) di energia elettrica. Questo vuol dire che per avere 0.5 kWh (1.7 MJ), ovvero per tenere accesa la lampadina da 60W per 8 ore, mi ci vorrebbero circa 1000 metri quadri di campi coltivati.
Otteniamo valori simili se consideriamo che un asino (che lavora) deve mangiare almeno 2 Kg di biada al giorno. Le migliori rese di un terreno coltivato a biada sono di circa 60 quintali per ettaro per anno, quindi mi ci vorrebbero, ancora, 1000 mq di terreno per tenere accesa la famosa lampadina. Notiamo anche che mi ci vorrebbero aree ancora più grandi se fosse un ciclista umano ad accendere la lampadina, presumendo che costui vorrebbe una fettina di carne almeno ogni tanto e questo risulterebbe in un’ulteriore perdita di efficienza.
1000 metri quadri di area coltivata solo per tenere accesa una lampadina? E’ uno sproposito. Evidentemente, generare energia elettrica utilizzando muscoli animali (o umani) è cosa troppo inefficiente per essere considerata seriamente. La vera inefficienza non sta tanto nei muscoli quanto nella fotosintesi. Anche se utilizzassimo i prodotti della coltivazione come combustibili per motori endotermici (forse un po’ più efficienti dei muscoli) si può fare facilmente il conto che se si dovesse utilizzare combustibile di origine vegetale per mandare anche solo il parco veicolare italiano, ci vorrebbe un area coltivata tre volte più grande di quella disponibile oggi in Italia. Questa è la vera spiegazione del “paradosso del ciclista”: le aree necessarie per generare energia elettrica con una bicicletta e una dinamo (o un asino e una dinamo) sono talmente ampie da far levitare i costi oltre ogni limite ragionevole.
Il criterio dell’area occupata è dunque un parametro che non possiamo trascurare nella valutazione di una tecnologia energetica. Al momento, il criterio ci porta a scartare tutte le tecnologie basate sulla fotosintesi (p. es. biocombustibili, ciclisti, asini, ecc.) come tecnologie adatte a sostituire i combustibili fossili. Questo non vuol dire, evidentemente, che alcune di queste tecnologie (p. es. biocombustibili) non possano essere utili come fonti energetiche ausiliarie nel quadro di un approccio che consideri anche il miglioramento dell’efficienza energetica, specialmente considerando la possibilità di utilizzare scarti che andrebbero buttati via.
Sotto un certo limite, poi, l’area occupata diventa un parametro di minore importanza. Questo è il caso, fra gli altri, dell’energia fotovoltaica. Possiamo rifare il calcolo di prima, ovvero l’accensione della lampadina da 60 watt, ma questa volta con pannelli fotovoltaici. Qui, dobbiamo considerare per prima cosa l’efficienza di conversione della luce solare che è oggi oltre il 15% per pannelli disponibili sul mercato. Dobbiamo poi considerare le perdite dovute alla conversione e trasmissione e, siccome la lampadina mi occorre quando fa buio, mi ci vorrà anche una batteria per accumulare l’energia prodotta. Con le tecnologie attuali, possiamo supporre che questi fattori facciano scendere l’efficienza di conversione a valori intorno al 12%. L’insolazione media in Italia è 4,8 kWh (17 MJ)/mq/giorno, dunque un pannello FV produce circa 0.6 kWh (2.1 MJ)/giorno per metro quadro. Ammesso che io voglia tenere accesa una lampadina da 60W per 8 ore (0.48 kWh/1.7 MJ), mi basta meno di 1 metro quadro di pannelli (da comparare con i 1000 metri quadri di terreno calcolato per l’asino!).
Ne consegue che l’occupazione di area da parte dei pannelli fotovoltaici non è un problema. Basti pensare che l’area occupata da strutture permanenti (edifici, strade, parcheggi ecc.) in Italia si stima come il 10%-15% del territorio. Viceversa, l’area necessaria per produrre energia elettrica equivalente all’attuale consumo energetico finale in Italia sarebbe dell’ordine di qualche percento dell’area totale. Ovvero, basterebbe coprire con pannelli fotovoltaici una frazione della superficie attualmente già edificata per ottenere tutta l’energia di cui abbiamo bisogno.
Le celle fotovoltaiche sono dunque una buona tecnologia, del tutto adeguata a fornire una quantità di energia comparabile a quella prodotta oggi dal petrolio e dai combustibili fossili. Rimane il problema del loro costo che, come abbiamo detto, è correlato alla necessità per i fabbricanti di recuperare le alte spese di ricerca e sviluppo del passato. Col tempo e con i fattori di scala, il costo dell’energia fotovoltaica è destinato ad abbassarsi considerevolmente. Questo avverrà tanto più rapidamente quanto prima vorremo deciderci a incoraggiare una tecnologia sostenibile, pulita e che, in Europa, non ha bisogno di risorse importate.
In fin dei conti, il “paradosso del ciclista” non è veramente un paradosso e per spiegarlo non è necessario proporre nuovi criteri di valutazione energetica. Il vero paradosso rimane il fatto che l’umanità si è affidata quasi al 100% a tecnologie basate su risorse non rinnovabili e ancora non riesce a rendersi conto che bisogna invertire la tendenza prima che sia troppo tardi.
Ugo Bardi – Maggio 2005
Dipartimento di Chimica, Università di Firenze
ASPO, association for the study of peak oil
www.aspoitalia.net
L’autore ringrazia Domenico Coiante per i suoi commenti su questo manoscritto
Bibliografia
Zanchini, E. Morini G.L. Atti della Conferenza Nazionale sulla Politica Eenergetica in Italia, Bologna 18 - 19 Aprile 2005
http://www.christinasponza.it/christinasponza.it/speciale_nucleare/notizie_articoli/2005_04_18-19_convegno_bologna/Articoli/SessioneI/Zanchini.pdf