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Titolo: Fotovoltaico solo una fregatura o la fine del mondo

Ovviamente, per fine del mondo, si intende quello civilizzato (per quanto lo
e') come oggi conosciuto.
 
In premessa due parole sul concetto di "energy payback time" (EPT)
 
Pensate a quando usate un fiammifero per accendere della legna. Un momento
prima della accensione, quella legna fornisce energia pari a zero.
Una volta acceso il fiammifero ed avvicinatolo alla legna per arrostirla
alla fiamma fino a quando non prende fuoco, la resa energetica di quella
legna e' negativa: infatti non solo non fornisce ancora calore, ma sta
"catturando" l'energia fornita dalla fiamma del fiammifero per incrementare
la sua temperatura fino al punto dell'innesco.
Solo quando parte la prima fiammata dalla legna, ed il fiammifero si e'
spento, comincia una produzione netta di energia dalla catasta di legna.
 
Naturalmente, l'energia apportata dal fiammifero e' trascurabile (e'
rilevante solo in condizioni estreme, quando la legna e' bagnata e quello
e' il vostro ultimo fiammifero) e quindi in pochi secondi da quando la
legna ha iniziato la combustione, il bilancio energetico tra il calore che
voi avete fornito tramite il fiammifero e quella resa dalla legna, e'
rapidamente a vostro favore. Si dice che l'EPT e' molto basso (pochi
secondi ?)
 
Parimenti, occorre energia per costruire centrali elettriche, dighe e
sbarramenti, canali oppure materiali e macchine per la produzione di
elettricita'.
 
Quindi, prima di attivare una fonte di energia, occorre "spendere energia".
E' un po' come per il commercio e la produzione, prima di guadagnare,
occorre spendere per acquistare la merce o le materie prime e tutto quello
che serve di contorno.
 
L'altro concetto e' il "net energy gain" (NEG).
 
Lo stesso problema lo abbiamo quando estraiamo combustibile da una
miniera o da un pozzo: occorre spendere energia per:
- frantumare la roccia, trasportarla, trattarla, per trivellare il pozzo,
  per pompare e trasportare il petrolio, etc.
- per fabbricare e riparare i macchinari richiesti per gli usi di cui
  sopra
 
Parimenti avviene per la legna inizialmente citata, occorre anche,
come minimo (se si tratta di produzione di rapina - ovvero si preleva
quello che esiste in natura) tagliarla e trasportarla ed eventualmente
spendere energia per stagionarla. Se invece si tratta di un ciclo
sostenibile (rinnovabile), occorre anche aggiungere l'energia per la
piantagione, cura ed allevamento degli alberi.
Nel caso della produzione di rapina, visto l'esteso utilizzo del
legname come materiale di costruzione e fabbricazione, sarebbe anche da
calcolare il costo energetico per la produzione di materie prime succedanee
al legname distrutto con la lavorazione e combustione. Anche lo stesso
riutilizzo della segatura richiede energia per la fabbricazione dei
collanti e la lavorazione con la segatura per produrre truciolare e
simili.
 
Alcuni esempi: oggi, per ogni barile di petrolio investito nella estrazione
e raffinazione si ottengono l'equivalente di 5 barili di petrolio.
Considerate che nel 1920, si aveva l'equivalente di 50 barili di petrolio.
Insomma, nel giro di poco meno di un secolo, il NEG e' sceso da un NEG di
49 ad un fattore 4. Quando si raggiungera' un NEG = 0, il petrolio come
fonte di energia cessera la sua funzione (sara' solo una materia prima, e
costosa).
 
Ed il fotovoltaico ? Sono citati vari valori, ma spesso si tratta solo
della cella fotovoltaica e non include il montaggio nei pannelli e le
opere di installazione, oltre ai costi energetici della manutenzione e
gestione, come le perdite. Considerate che il costo del fabbricazione del
modulo incide per circa un settimo sul totale e capite che non e'
trascurabile. Anzi, nel caso del film sottile (che  richiede meno energia
per la produzione del componente attivo), la fabbricazione/inserimento nel
supporto incide per un terzo del totale).
Inoltre il NEG del fotovoltaico dipende fortemente dalla localita' in cui
viene messo in produzione elettrica. Per questo motivo e' meglio fornire
dati assoluti, tipo quanta energia e' stata fornita per la fabbricazione
di un modulo cristallino: siamo intorno ai 500-600 kW*h/m2 per moduli che
arrivino ad efficienze fino al 14% (maggiore e' l'efficienza richiesta,
maggiore la qualita' e quindi l'energia richiesta).
Il film sottile richiede meno energia per m2 (intorno ai 120 kW*h/m2), ma
l'efficienza di conversione e' molto piu' bassa (6% per il menzionato).
Il valore piu' basso del film sottile fa incidere di piu' l'energia
necessaria per la fabbricazione della struttura di fissaggio al tetto e
la sua posa in opera, che puo' aggirarsi tra i 100 ed i 200 kW*h/m2.
E' vero che il film sottile si puo' utilizzare direttamente sui tetti,
al posto delle tegole, ma in talcaso si riduce l'efficienza di
conversione per un non ottimale orientamento (tranne ai tropici).
Insomma, per un verso o l'altro, se si spende meno energia, si ricava anche
meno energia. Se si mette tutto insieme, si arriva a valori di restituzione
che, in casi di impianti ottimali, si aggira tra i 3 anni per un film
sottile ed i 4 anni per un cristallino. Se leggete di valori piu' bassi,
in genere si appoggiano su estrapolazioni di miglioramenti futuri della
qualita' ed efficienza dei moduli, non tenendo conto della realta'
industriale presente (certa). E spesso da fonti non neutrali (tipo i
rivenditori e produttori di materiali per il fotovoltaico e fotovoltaico)
che operano ottimistiche "estrapolazioni" sui dati certi delle poche serie
ricerche fatte al riguardo.
 
Ed ora attenzione: l'energia totale richiesta per la produzione di un
sistema fotovoltaico e' molto inferiore all'energia che questo sistema
potrebbe produrre nella sua vita (25 anni, forse anche 30). Questo non lo
nega nessuno (anzi, viene il dubbio che tutti gli articoli che iniziano
affermando che qualcuno implichi che l'energia prodotta - in una vita
completa dell'impianto - non ripaghi mai la quantita' consumata per
la costruzione dell'impianto, lo facciano per potere avere ragione in
partenza).
 
Invece la questione e' che l'energia richiesta per la produzione va fornita
subito, ovvero si esaurisce tutta nel momento che il sistema solare entra in
produzione. Questo significa un debito che richiede "anni" prima di essere
reso, ovvero i 3-4 anni menzionati. Questo implica che un sistema
elettrico di ampia scala che voglia convertirsi seriamente al fotovoltaico
lo puo' fare solo "incrementalmente", ovvero "lentamente", altrimenti
accumulerebbe un eccessivo debito di energia, incompatibile con la sua
funzione primaria di fornire energia al sistema produttivo sottostante.
 
Per un calcolo serio del rapporti di rientro, occorre considerare la
superficie del vostro impianto e non la potenza. Se ipotizziamo una
reale efficienza del 14%, 3 kW(p) di potenza richiedono 21,43 m2 di moduli.
Considerando un costo di 500 kW*h/m2 piu' circa 100 kW*h/m2 per accessori
ed installazione, abbiamo un totale di (500+100)*21.43 = 12'857 kW*h.
A questo punto sara' chiaro perche' e' evidente che il rapporto del vostro
impianto dipende strettamente dalla vostra produzione. In Italia, il
tipico impianto domestico (la cui maggior parte NON e' in Puglia) puo'
sperare in circa 3000-3250 kW*h/anno se l'orientamento e' decente.
Se prendiamo il valore piu' alto, il rientro dell'energia consumata
sarebbe entro 3,96 anni, quasi i 4 anni piu' spesso citati.
Ma se la produzione e' solo di 3000 kW*h/anno, saliamo gia' a 4,3 anni.
Ed un orientamento non ottimale significa solo che si va verso i 5 anni
o peggio. Questo tanto per chiarire quanto truffaldini possono essere
certi rivenditori, quando cianciano di 3 anni di rientro o meno.
Il dato non e' definibile a priori, e dipende fortemente dalla vostra
installazione.
Gli unici dati certi, definibili a priori, sono le quantita' di
energia necessaria per produrre ogni m2 del vostro impianto, per
il telaio occorrente e la sua posa, e non dimentichiamo del carburante
richiesto per il trasporto del materiale, macchine (tipo una gru) e
persone/tecnici sul luogo del vostro impianto. Vogliamo, ad esempio
a provare a calcolare i tempi di rientro per un impianto fotovoltaico
in montagna, magari portato su con l'elicottero ?
 
Per rafforzare le argomentazione seguenti, ridurro' il periodo di rientro
considerato in solo 3 anni (chiaramente ritengo che le previsioni saranno
percio' ben peggiori, specialmente perche' si crea un effetto geometrico).
 
Data la lunghezza, interrompo qui e mi aggancio con un successivo messaggio.

 effetto geometrico).
 
Nel 2011 (anno di cui ho dati mondiali completi), la produzione totale di
energia primaria e' stata (fonte EIA):
 
  546'798 PJ (pentajoules)
 
in buona parte energia fossile. Infatti all'interno di questo valore
troviamo solo:
 
    9'064 PJ da nucleare
   12'498 PJ da idroelettrico
    1'607 PJ da eolico
    1'290 PJ da biomasse ed inceneritori
      455 PJ il resto rinnovabili (geotermico, solare, marea, onda ...)
------------
   24'913 PJ totale delle alternative al fossile
 
Abbiamo il solito problema di come paragonare questa energia "primaria"
non rinnovabile con quella fossile.
Ma l'EIA ci fornisce un valore aggiornato anno per anno, e nel 2011 era
di 9'716 btu/kW*h (9'516 btu/kW*h nel 2012) che implica un rapporto di
2,8475 unita' di energia primaria per ogni unita' elettrica prodotta.
Questo rapporto corrisponde ad una efficienza termoelettrica mediata
del 35,12%
 
Percio' l'energia elettrica totale non fossile equivale in termini di
energia primaria a:
 
   24'913 * 2,8475 = 70'938 PJ di primaria alternative al fossile (13%)
 
da cui deduciamo che quella fossile del 2011 ammonta a:
 
   546'798 - 70'938 = 475'860 PJ
 
Questo valore e' quello che produce le emissioni nette di CO2, calcolate
nello stesso anno in:
 
   32'579 milioni di tonnellate (32,6 miliardi di tonnellate)
 
Tra parentesi, nel 1990, i valore era di 21'523 (21,5 miliardi di t) ovvero
c'e' stata una forte crescita, che e' iniziata dal 2003. Fino al 1994 il
livello e' stato sostanzialmente costante, con una leggera salita fino
al 2002 (24,2 miliardi di t dopo 12 anni). Ma nei successivi 9 anni, c'e'
stata una spinta di oltre il +4% annuo, tranne nel 2008-2009 (evidente
segno della crisi mondiale, anzi nel 2009 abbiamo un 0% di variazione),
ma nel 2010 siamo al +4,19% e nel 2011 al +3,42%.
 
Per mettere i valori in prospettiva, la quantita' di CO2 totalmente emessa
naturalmente e' intorno alle 439 miliardi di t, che pero' viene riassorbita
dalla crescita vegetativa e del placton nella quantita' di 450 miliardi di
t, con un saldo negativo (estrazione dall'atmosfera) di circa 11 miliardi
di tonnellate. Senza le attivita' umane, la natura starebbe lentamente
assorbendo CO2 dall'atmosfera, ed e' plausibile che abbassato ad un certo
livello la concentrazione di CO2 nell'atmosfera, l'assorbimento diminuisca
e quindi sostanzialmente la natura tenderebbe verso un equilibrio intorno,
forse, alle 300 ppm, il valore prima della industrializzazione (durante la
storia umana e' oscillato intorno alle 280 ppm). Notare che il valore di
300 ppm e' stato superato circa intorno al 1920-30. quello di 320 ppm
nel 1965 circa.
 
Attualmente ha superato i 400 ppm (valore "ufficiale" per il
maggio 2013 = 399,76 ppm e per il maggio 2014 = 401,95 ppm).
 
C'e' un comune accordo scientifico che non si deve superare il valore
di 550 ppm (catastrofe climatica certa), ma molti ritengono che 350 ppm
e' gia' oltre il livello di guardia (quindi siamo gia' in emergenza),
perche' anche se si tagliassero tutte le emissioni da domani, la
temperatura continuerebbe con l'attuale tendenza per altre centinaia
di anni.
 
Percio' e' evidente il pesante effetto della produzione "umana".
E' (ancora per quanto ?)  piu' piccola di quella naturale, circa un decimo,
ma e' sufficiente ad invertire l'equilibrio, spostando la natura da
un debito di CO2 ad un eccesso di CO2.
 
Considerando l'ultimo incremento e le quantita' in gioco, si puo'
ipotizzare che ogni 15 miliardi di t di emissioni di CO2 causa 1 ppm
di incremento della concentrazione di CO2 nell'atmosfera. Attenzione,
questo valore empiricamente calcolato serve solo a dare una idea di
quanto imputare alle emissioni. Un calcolo esatto e' complesso e
deve tenere conto di molte variabili, a partire dalla variazione del
valore relativo in funzione della quantita' assoluta (che continua a
crescere) oltre che dell'aumento della capacita' di assorbimento (per
ora) da parte dell'ecosistema al crescere della concentrazione.
 
Bene, a questo punto direi che abbiamo sufficienti dati per arrivare
al "sodo".
Chiudiamo questo messaggio e passiamo alla valutazione.

 incremento della concentrazione di CO2 nell'atmosfera.
 
...snip...
 
Dimenticavo: il valore in "ppm" speso citato va inteso "parti per
volume", questo qualora uno volesse calcolare a quante tonnellate di
CO2 corrisponde 1 ppm.
 
Possiamo, in prima approssimazione, ipotizzare che, ad emissioni costanti,
il valore di 550 ppm sarebbe raggiunto nel giro di 74 anni ([550-402]/2)
ovvero intorno al 2088.
 
Naturalmente gli effetti catastrofici non sarebbero improvvisi: cioe'
non e' che fino a 549 ppm tutto e' normale, e poi improvvisamente si
scateni la fine del mondo. Direi che gia' prima gli effetti saranno
percepibili e drammatici.
 
Per quello che ci sta insegnando "l'esperienza" (per alcuni diretta,
per molti filtrata dalla osservazione delle notizie giornalistiche),
gli effetti non sono "solo", e neanche primariamente quello
dell'incremento della temperatura, ma si evidenzia  un'incremento
appariscente (ovvero dubito che qualcuno si permetta di negarle) della
attivita' meteorologiche.
Una ipotesi potrebbe essere e' che per ora la temperatura e' tenuta
a freno da meccanismo compensativi operanti nell'eco-sistema.
Probabilmente dovremo aspettarci un andamento catastrofico (ovvero
rapido, forse nel giro di un solo anno) dell'andamento delle temperature
non appena i meccanismi compensativi "cedono", o raggiungono la saturazione
della loro capacita' compensativa. E' solo una ipotesi, ma una prudente
diligenza doverbbe tenere conto: una volta "scoperto" che l'ipotesi fosse
reale, avremo insufficiente, se non nullo, tempo per reagire.
 
Nota: alcune fonti indicano il valore delle emissioni come "carbonio"
emesso, valore che e' 3,67 volte inferiore a quello che indica quello
in CO2. Il rapporto 3,67 e' il risultato di (12+16+16)/12 = 3,67 ovvero
il rapporto dei pesi atomici della CO2 su quello del carbonio.
Quindi se leggete 9,5 miliardi di t di "emissioni di carbonio" significa
34,75 miliardi di t di CO2. L'approccio e' discutibile, perche' quello
che ha effetti e' la CO2 e non il semplice carbonio; inoltre l'unica
utilita' e se si vuole stimare il consumo di carbone corrispondente,
perche' nel caso di altri combustibili (gas e petrolio) occorrono alcuni
calcoli per scorporare la quantita' di carbonio corrispondente per unita'
di combustibile e scorporare l'apporto energetico delle altre componenti.
 
 
Abbiamo poi questo problema che le emissioni stanno incrementando ancora
del 2-3% annui, e questo nonostante la conversioni a fonti a minore livello
di emissioni di CO2 da parte delle nazioni sviluppate. Quindi, se non
avviene un qualche cambiamento, i 550 ppm potrebbero essere raggiunti
ben prima del 2088.
Le nazioni sviluppate quindi o incrementano gli sforzi per ridurre
l'utilizzo di combustibili fossili o finanziano le nazioni sviluppate
perche':
- utilizzino il meno possibile fonti termiche per gli utilizzi
energetici ove non sia praticabile l'utilizzo del calore solare
- invece di costruire economiche centrali termoelettriche,
costruiscano centrali elettriche che si basano su fonti alternative.
 
La tentazioni per nazioni come la Germania sarebbe, naturalmente, quello
di proporre il fotovoltaico, perche' "le nazioni emergenti hanno una
rete elettrica carente o inesistente, ed il fotovoltaico e' una fonte
elettrica distribuibile".
 
Prima di tutto, potrebbe essere impraticabile spingere che nazioni
emergenti si elettrifichino in partenza, perche' normalmente l'energia
elettrica si paga in contanti e queste nazioni devono prima passare da
una diffusa economia del baratto ad una che si basa sulla moneta.
Anche se con un forte collaborazione delle nazioni industrializzate,
non sarebbe impossibile.
 
Ma vediamo quale problema creerebbe il fotovoltaico. Qui, dobbiamo
intenderci: si tratta di trovare le fonti che "producano" risultati.
Insomma, se la risposta "fotovoltaica" viene pensata solo come "marginale"
allora la discussione e' gia' terminata. Ma da quello che leggiamo, c'e'
chi afferma che il fotovoltaico sarebbe LA soluzione per la produzione
di energia futura.
 
In questo caso, come minimo, il fotovoltaico dovrebbe prendersi carico
di "compensare" la crescita delle emissioni di CO2, il che significa che
dovrebbe rimpiazzare almeno il 2% di 475'860 PJ di energia fossile.
E questo ogni anno (o almeno finche' dura la crescita della domanda
delle nazioni emergenti, sperando fortemente che quando "ingranano"
la fase corrispondente a quella in cui i paesi occidentali hanno
iniziato la rivoluzione industriale, i loro consumi di energia non
esplodano corrispondentemente).
 
Noterete che non ho preso la produzione elettrica come riferimento, ma
quella totale. Mi si dira': ma come fare, se molta parte dei consumi
fossili sono termici ? Ci sono due ipotesi:
 
a) il fotovoltaico sara' principalmente implementato dalle nazioni
sviluppate, che con i loro elevati consumi termoelettrici, hanno ampio
spazio per una tale conversione
 
b) si agevolera' in ogni modo le nazioni emergenti affinche' si sviluppino
da subito verso una elevata elettrificazione. Per esempio, incentivando
l'acquisto nei loro paesi di auto elettriche invece di auto a combustione,
magari a partire dalla infrastrutture: invece di una rete di distributori
di carburanti, una rete stazioni di ricarica elettrica (la cosa non
piacera' per niente alle industrie automobilistiche, incluse quelle gia'
formate in alcuni paese emergenti, come la Tata Motors, a meno che non si
convincano a cestinare tutto l'investimento nei motori a scoppio).
 
O magari un misto delle due soluzioni. Mostrato come e' possibile (e
necessario, altrimenti come si pensa di ridurre VERAMENTE le emissioni
di CO2 ? torniamo al problema del fotovoltaico.
 
Allora, a quanto ammonta questo 2% ?
 
 475'860 * 0,02 = 9'517 PJ
 
Per fortuna l'energia elettrica vale circa 2.86 volte (ma il valore
diminuira' che ogni ulteriore miglioramento del termoelettrico, come
una maggiore diffusione del 50% delle centrali a ciclo combinato), in
altre parole, possiamo ridurre il valore sopra calcolato con l'efficienza
del 35% ovvero:
 
9'517 * 0,35 = 3'331 PJ
 
E questo ogni anno (almeno per la prima decina di anni).
Ed ora ripeschiamo il periodo di rientro, che abbiamo limitato a 3 anni.
Significa che il primo anno di questo inizio di conversione alle
rinnovabili, prima ancora che la produzione di 3'331 PJ di energia
elettrica entri in rete, si e' consumato 3'331 * 3 = 9993 PJ di energia
elettrica. Considerando che almeno il 67% dell'energia e' di provenienza
fossile (sorvoliamo sul fatto che il maggiore produttore di fotovoltaico,
Cina, consuma parecchio carbone per produrre elettricita' in esubero
necessario) dobbiamo ricalcolare questo debito come equivalente a:
 
9993 * (2,86 * 0.67) = 19'149 PJ
 
Questo rapporto del 67% potrebbe diminuire in futuro (ma anche no,
se le nazioni emergenti puntano tanto sul fossile nel rapporto di 2/3).
 
Nella ipotesi che non si riducano i consumi dell'economia in generale,
significa che il primo anno del programma "fotovoltaico" dobbiamo
incrementare la produzione di energia della cifra di cui sopra,
ovvero del:
 
19'149 / 546'798 = +3,5%
 
E volevamo ridurre le emissioni del 2% ? Il primo effetto, ripeto, prima
ancora che il fotovoltaico corrispondente abbia prodotto il primo kW*h,
e' un maggiore consumo del +3,5% di energia (e parallelamente delle
emissioni di CO2, secondo il rapporto delle fonti fossili su quelle
rinnovabili). E non possiamo certamente aggiungere ulteriore fotovoltaico,
per compensare questo incremento, perche' in realta' lo incrementiamo
ancora di piu' !!!
 
Va bene, qualcuno dira', dimezziamo l'apporto del fotovoltaico e
consideriamo che l'altro 50% sia fornito dall'eolico e dall'idroelettrico
e altre fonti rinnovabili (ma per favore, piano con le biomasse: nel
mondo c'e' sempre piu' gente che ha bisogno di mangiare).
Bhe', tanto per cominciare cosi' significa che con il cavolo che il
fotovoltaico sarebbe cosi' "dominante". Ma andiamo avanti.
Se dimezziamo l'apporto aggiuntivo di fotovoltaico, abbiamo solo
dimezzato la maggiore domanda di energia necessaria, al 1,75%
e questo quasi si mangia il 2% di riduzione che si voleva ottenere.
E questo ogni anno. Insomma, utilizzando il fotovoltaico, per
anni avremo che il consumo totale mondiale di energia continuera' a
crescere di circa il 2%, per decenni, visto che OGNI anno, un +2%
di energia apportata dal fotovoltaico si paga lo scotto di circa
+1,7% di energia spesa per produrre lo stesso fotovoltaico.
Questo significa che i livelli di CO2 continueranno a crescere
inesorabili, portandoci verso una terra di nessuno climatica.
 
E questo nonostante che in questa ipotesi, solo il 50% della nuova
energia rinnovabile consiste di fotovoltaico.
 
Personalmente lo ritengo una ipotesi inaccettabile, perche'
irresponsabile verso le prossime generazioni, una incognita ambientale
che non dovremo porre sulla loro testa (cosa accadra' quando si
arrivera' a 450 ppm ? siamo sicuri che gia' non ci pentiremo ?
Specialmente considerando che se nel 2030 il gioco di chi incita i
fotovoltaicisti si fa evidente nel suo grave errore, sara' gia'
tardi, perche' abbiamo questo tremendo effetto "abbrivio" (chi e'
marinaio puo' farsi una immagine del problema) per cui ogni
"pentimento", "inversione di politica energetica", avra' effetti
dopo decenni, e nel frattempo le distruzioni climatiche continueranno
ad imperversare se non a peggiorare.
 
Chi voglia contraddire e' pregato di indicare uno schema alternativo
di soluzioni, non limitarsi a contestare come "senso" il conteggi
(salvo evidenziare errori nei calcoli).