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Vincere la sfida dell’elettrificazione, di Adair Turner (da Project Syndicate, 27 gennaio 2020)
Jan 27, 2020
Winning the Electrification Race
LONDON – There is no doubt that by the year 2100, the world will enjoy abundant cheap zero-carbon energy. Coal will be confined to museums, and oil and gas use will be dramatically reduced. Technological progress makes that inevitable, even if unassisted by government policy. But to prevent potentially catastrophic climate change, a zero-carbon global economy must be achieved by mid-century. That, too, is possible, but only with strategic vision and strong policy support.
Electricity will dominate the future global energy system. Currently, it accounts for only 20% of final energy demand, with direct fossil-fuel use still dominant in transport, heating, and heavy industry. But most economic activities can be powered by electricity, and many will be far more efficient once electrified.
For example, internal-combustion engines typically turn 60-80% of all the energy they use into wasted heat, and only 20-40% into kinetic energy to drive the vehicle. Electric engines, by contrast, are over 90% efficient. Moreover, they are so much simpler to produce that within five years the cost savings on engines will offset the cost of batteries, making electric vehicles cheaper than diesel or gasoline cars. Similarly, electric heat pumps can deliver more than three kilowatt-hours of residential heating for only one kilowatt of energy input; no gas boiler could deliver more than 0.9 kWh for the same input.
Although battery-powered electric engines will play a growing role in short-distance aviation and shipping, batteries will be too heavy to power long-distance flights or intercontinental shipping for several decades yet. But ship engines could burn ammonia rather than fuel oil – and ammonia can be a zero-carbon fuel if it is made from hydrogen produced by electrolyzing water, using electricity generated from renewable sources. In addition, synthetic jet fuel can be made from hydrogen and carbon dioxide extracted from the air. Hydrogen, whether used as a fuel or a key chemical input, will also play a major role in the decarbonization of heavy industrial sectors such as steel and chemicals.
Without assuming any fundamental technological breakthroughs, we could certainly build by 2050 a global economy in which electricity met 65-70% of final energy demand, and hydrogen, ammonia, or synthetic fuel met a further 12-15%. Bioenergy and fossil fuels would then need to meet only about 20% of total energy use – and applying carbon capture to this greatly reduced fossil-fuel use could then ensure a truly zero-carbon economy.
Moreover, such widespread electrification would deliver huge environmental benefits, eliminating the pollution, noise, and unwanted or wasted heat inevitably produced by burning fossil fuels in vehicles, gas boilers, and industrial processes.
Building this economy will require an annual global electricity supply of about 90,000 terawatt-hours, compared to 23,000 TWh today; all of that must be generated in a zero-carbon way. But this goal, too, is undoubtedly attainable. Every day, the sun radiates to earth enough energy to cover humans’ daily energy needs 8,000 times, and we could provide 90,000 TWh of solar electricity using less than 1.5% of Earth’s land surface (or less than 0.5% if its water surface could be used as well). Solar-energy costs have fallen by 85% in the last ten years, and in many locations solar power is already cheaper than coal; by mid-century, it will be cheaper still.
Wind-power costs also have declined fast, and nuclear fusion may be a commercially viable technology within two decades. Battery costs have fallen by more than 80% since 2010 and will likely more than halve again by 2030, while a recent report suggests that electrolysis costs will now most probably “plummet.” Furthermore, a wide array of other energy-storage and demand-management technologies promises to answer the key question for renewable power systems: what to do when the sun doesn’t shine and the wind doesn’t blow.
These developments make it inevitable that by 2100 the world will have an ample supply of cheap and totally clean energy. But it is not inevitable that we will avoid catastrophic climate change. Fossil-fuel use is still increasing, and global warming is currently on track to reach 3°C above pre-industrial levels by 2100, dramatically overshooting the target of well below 2°C set by the Paris climate agreement. And although solar and wind costs have plunged, we need to increase capacity at 3-4 times the current rate to have a feasible chance of producing 90,000 TWh of clean electricity by 2050.
The macroeconomic cost of such an effort is not at all daunting: the total incremental investment required to build a zero-carbon economy by 2050 amounts to about 1-1.5% of global GDP per year. But the required acceleration will not occur without forceful government policies.
Such policies must start by recognizing that massive clean electrification, plus large-scale hydrogen use, is the only route to zero-carbon prosperity. Governments should set challenging targets for increasing renewable (and in some cases nuclear) power capacity, while using auctions to secure private-sector delivery at the lowest possible cost. Road-transport strategies must aim to completely eliminate internal-combustion engines from our roads by 2050 at the very latest: this will require bans on the sale of new internal-combustion vehicles far sooner. In addition, carbon pricing is essential to make industrial decarbonization economic. Finally, governments must support new technologies with initial deployment subsidies of the sort that have helped to reduce rapidly the costs of solar photovoltaic technology, wind turbines, and batteries.
With such policies, the world could build a zero-carbon economy fast enough to limit climate change to a manageable extent. But without the right measures, a zero-carbon economy will come much too late.
Vincere la sfida dell’elettrificazione,
di Adair Turner
LONDRA – Non c’è dubbio che per l’anno 2100, il mondo godrà di abbondante economica energia con zero emissioni di anidride carbonica. Il carbonio sarà confinato ai musei, e il petrolio e il gas naturale saranno ridotti in modo spettacolare. Il progresso tecnologico lo rende inevitabile, anche senza il concorso della politica dei Governi. Ma per impedire un cambiamento climatico catastrofico, una economia globale a zero emissioni di anidride carbonica deve essere realizzata entro la metà del secolo. Anche quello è possibile, ma con una visione strategica e con un forte sostegno pubblico.
L’elettricità dominerà il sistema energetico globale del futuro. Attualmente, essa soddisfa solo il 20% della domanda energetica finale, con l’uso dei combustibili fossili che ancora dominano nei trasporti, nel riscaldamento e nell’industria pesante. Ma la maggior parte delle attività economiche possono essere alimentate con l’elettricità, e molte saranno di gran lunga più efficienti una volta elettrificate.
Ad esempio, i motori a combustione interna normalmente trasformano il 60-80% di tutta l’energia che usano in calore sprecato e solo il 20-40% in energia cinetica per far muovere i veicoli. I motori elettrici, all’opposto, sono efficienti più che al 90%. Inoltre essi sono molto più facili da produrre, al punto che in cinque anni i risparmi dei costi sui motori bilanceranno il costo delle batterie, rendendo i veicoli elettrici più convenienti delle automobili a diesel o a benzina. In modo simile, le pompe di calore elettriche possono fornire più di tre chilowattora di riscaldamento residenziale per solo un chilowatt di energia immessa; nessuna caldaia a gas potrebbe fornire più di 0,9 chilowattora con lo stesso apporto di energia.
Sebbene i motori elettrici alimentati a batteria giocheranno un ruolo crescente nell’aviazione a corta distanza e nei trasporti marittimi, le batterie saranno troppo pesanti ancora per vari decenni per alimentare i voli a lunga distanza o i trasporti marittimi. Ma i motori delle navi potrebbero bruciare ammoniaca invece che olio combustibile – e l’ammoniaca può essere un combustibile a zero emissioni di carbonio se è derivata dall’idrogeno prodotto dalla elettrolisi dell’acqua, utilizzando elettricità generata da risorse rinnovabili. In aggiunta, il combustibile sintetico per aviogetti può essere prodotto dall’idrogeno e dall’anidride carbonica estratta dall’aria. L’idrogeno, se usato come combustibile o come principale alimentazione chimica, giocherà anche un ruolo importante nella decarbonizzazione dei settori dell’industria pesante come l’acciaio e i prodotti chimici.
Senza ipotizzare alcuna fondamentale scoperta tecnologica, potremmo certamente realizzare entro il 2050 un’economia globale nella quale l’elettricità soddisfi il 65-70% della domanda finale di energia, e l’idrogeno, l’ammoniaca o il combustibile sintetico soddisfino un ulteriore 12-15%. A quel punto la bioenergia e i combustibili fossili dovranno soddisfare soltanto circa il 20% dell’uso totale di energia – e applicando le tecniche di cattura del carbonio a questo utilizzo grandemente ridotto di combustibili fossili, assicurerebbe una economia effettivamente a zero emissioni di carbonio.
Costruire questa economia richiederà un’offerta aggiuntiva annua di circa 90.000 terawatt-ora, a confronto con i 23.000 TWh di oggi; da produrre interamente con zero emissioni di carbonio. Ma anche questo obbiettivo è indubbiamente realizzabile. Ogni giorno il sole irraggia la terra di energia sufficiente per coprire 8.000 volte il fabbisogno giornaliero umano di energia, e potremmo fornire 90.000 TWh di elettricità solare usando meno dell’1,5% della superficie terrestre (o meno dello 0,5%, se anche la sua superficie acquea fosse utilizzata). I costi dell’energia solare, negli ultimi dieci anni, sono calati dell’85% e in molte località l’energia solare è già più conveniente del carbone; entro la metà del secolo sarà ancora più conveniente.
Anche il costo dell’energia eolica è calato rapidamente, e entro due decenni la fusione nucleare potrebbe essere una tecnologia commercialmente utilizzabile. Dal 2010, i costi delle batterie sono calati di più dell’80% e per il 2030 probabilmente si dimezzeranno ancora, mentre un recente rapporto suggerisce che i costi dell’elettrolisi a questo punto con tutta probabilità “precipiteranno”. Inoltre, una vasta gamma di altre tecnologie di immagazzinamento dell’energia e di gestione della domanda promette di dare risposta alla domanda principale dei sistemi di energia rinnovabile: cosa fare quando il sole non illumina e quando il vento non soffia.
Questi sviluppi rendono inevitabile che per il 2100 il mondo avrà un’ampia offerta di energia economica e totalmente pulita. Ma non è inevitabile che si eviti un cambiamento climatico catastrofico. L’utilizzo dei combustibili fossili sta ancora crescendo e il riscaldamento globale è attualmente indirizzato a raggiungere, per il 2100, i 3 gradi centigradi sopra i livelli preindustriali, mancando in modo clamoroso l’obbiettivo ben al di sotto dei 2 gradi centigradi stabilito dall’accordo sul clima di Parigi. E sebbene i costi del solare e dell’eolico siano precipitati, abbiamo bisogno di aumentare la potenza di 3-4 volte rispetto al ritmo attuale per avere una possibilità praticabile di produrre 90.000 TWh di elettricità pulita per il 2050.
Tali politiche devono partire dal riconoscimento che una massiccia elettrificazione pulita, in aggiunta all’utilizzo dell’idrogeno su vasta scala, è l’unica strada per la prosperità della eliminazione delle emissioni di carbonio. I Governi dovrebbero stabilire obbiettivi impegnativi per aumentare la capacità energetica delle rinnovabili (e in alcuni casi del nucleare), utilizzando procedure di gara per garantire che il settore privato le fornisca al più basso costo possibile. Le strategie del trasporto su strada devono proporsi l’eliminazione completa dei motori a combustione interna dalle nostre strade entro il 2050 al massimo: questo richiederà la messa al bando delle vendite di nuovi autoveicoli a combustione interna molto prima. In aggiunta, la definizione di un prezzario per i costi delle emissioni di carbonio è essenziale per rendere economica la decarbonizzazione. Infine, i Governi debbono sostenere le nuove tecnologie con un iniziale dispiegamento di sussidi del genere di quelli che hanno contribuito a ridurre rapidamente i costi delle tecnologie del solare fotovoltaico, delle turbine eoliche e delle batterie.
Con tali politiche, il mondo potrebbe costruire un’economia a zero emissioni di anidride carbonica in modo sufficientemente veloce da limitare il cambiamento climatico ad una dimensione gestibile. Ma senza le giuste misure, un’economia a zero emissioni di anidride carbonica arriverà troppo tardi.
By mm
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