Maurizio Masi, Ordinario di Chimica Fisica Applicata al Politecnico di Milano
È possibile in un paese industrializzato raggiungere l’indipendenza energetica ossia disporre di tutta l’energia necessaria al paese senza dipendere da nessuno? La risposta è facile. L’obiettivo è utopico. Ad eccezione degli USA, tutti i paesi dipendono da fornitori terzi di fonti primarie per percentuali superiori al 50%. Di conseguenza, è importante potersi approvvigionare subendo in maniera ridotta le evoluzioni negative del mercato energetico mondiale. La dipendenza energetica dall’estero, come vedremo è fortemente dipendente dal mix energetico (fossili, rinnovabili e nucleare) che approvvigiona il paese e influenza il binomio disponibilità e prezzo. La scelta del mix più resiliente è vitale per la sostenibilità economica di ogni paese.
QUADRO ENERGETICO NAZIONALE E MONDIALE
Come già analizzato in un precedente articolo di questa rivista[1], l’energia è una commodity. Il prezzo è un fattore fondamentale perché possa essere accessibile. Come riferimento, un prezzo di 100 euro[2] per un barile di petrolio, circa 159 litri, equivale a 63 centesimi di euro al litro, ossia al prezzo medio al litro delle acque minerali nei nostri supermercati[3]. La disponibilità di energia è invece legata alla sicurezza nell’approvvigionamento che deve garantire sia prezzi stabili che evitare che al paese manchi l’energia necessaria alla propria prosperità.
Una delle regole fondamentali quando si esamina un problema è partire dai dati. Per omogeneità faremo riferimento ai dati dell’Agenzia Internazionale per l’Energia (IEA). Prendendo i dati consolidati relativi all’anno 2022, il fabbisogno energetico lordo italiano è pari a circa 0.198 TW[4]. Questi dati dipendono dal tenore di vita e dal grado di prosperità di una Nazione, tanto che esiste una sostanziale proporzionalità tra i valori pro capite del Prodotto Interno Lordo e dei consumi energetici. In Italia, tale rapporto si assesta oggi sui 103 GW per milione di euro di Prodotto Interno Lordo. Nei confronti col resto del mondo, il nostro Paese rappresenta poco meno dell’1% della popolazione mondiale (59 milioni contro 8.3 miliardi) contribuendo a circa il 3% del prodotto interno lordo del mondo.
L’Italia, al pari di moltissimi altri paesi dell’OCSE, dipende dalle fonti fossili per oltre il 78% (in particolare, 4.2% solidi, 39.2% gas naturale, 34.8% petrolio). Le rinnovabili con l’import elettrico contribuiscono per la parte rimanente e quindi per il 21.1% (19% rinnovabili, con prevalenza della tradizionale fonte idroelettrica, e 2.1% import elettrico). Il dato d’import elettrico nasconde di fatto la nostra dipendenza dalla fonte nucleare, sostanzialmente importata dalla Francia.
Come mostrato dai dati riassunti in Tabella 1, la situazione mondiale è in continua evoluzione. Ciò avviene dall’inizio della storia del Mondo, con valori stimati in stabile aumento sia in termini di popolazione che di prodotto interno lordo e con conseguente incremento del fabbisogno energetico[5] che dai circa 20 TW attuali è atteso raggiungere i 23 TW al 2050.
Oggi, nel Mondo, i fossili (petrolio, gas e carbone) coprono l’84% del fabbisogno, tutte le rinnovabili (idroelettrico, solare, eolico, geotermico e biomasse) il 12% e il nucleare il rimanente 4%. Le previsioni di IEA, in continuo aggiornamento, indicano una prospettiva di crescita al 31% delle rinnovabili e di decrescita delle fonti fossili al 65%. Quindi uno scenario di totale decarbonizzazione non è nemmeno ipotizzabile nel più favorevole degli scenari. Da sottolineare che questo scenario è stato più volte corretto al ribasso negli ultimi anni. Per evidenziare la differenza tra i dati consolidati e quelli previsti sono state colorate in modo diverso le colonne di Tabella 1.
La spinta verso l’incremento del fabbisogno energetico entro il 2050 deriva sostanzialmente dai miliardi di nuovi consumatori di energia (circa 2 miliardi di nuovi nati e 3 miliardi provenienti dai paesi emergenti).
Il fattore chiave per fornire energia ai paesi emergenti sarà il costo, non l’efficienza, poiché un’elevata efficienza comporta costi più alti. L’innovazione nell’approvvigionamento energetico richiederà quindi sistemi semplici – ovvero ingegneria essenziale, soluzioni leggere e di facile produzione – in una parola: innovazione frugale.
Interessante è osservare quanto illustrato in Figura 1. Nel corso della storia, le fonti di energia primaria si sono sempre affiancate a quelle esistenti. Non si è mai verificata alcuna sostituzione.
Prima del 1800 le biomasse coprivano interamente il fabbisogno energetico. La prima rivoluzione industriale fu basata sull’uso del carbone. Il primo pozzo di petrolio risale al 1859 e il suo consumo diventò prominente dopo la seconda guerra mondiale per la forte crescita economica e la diffusione dell’automobile di massa. Agli anni ’50 risalgono anche i primi impianti per lo sfruttamento dell’energia nucleare. La costruzione dei gasdotti a partire dal 1990 ha consentito lo sfruttamento massiccio dei giacimenti di gas naturale, sino a quel momento disperso quasi sempre in atmosfera. Infine, a partire dal nuovo millennio è iniziato lo sviluppo delle rinnovabili non programmabili quali eolico e fotovoltaico. Quindi, più che di transizione energetica è corretto parlare di addizione energetica. Il mondo ha un disperato bisogno di energia per mantenere e accrescere la propria prosperità che non si può permettere di rinunciare a nessuna fonte disponibile. Ciò è particolarmente vero per sostenere la crescita dei paesi emergenti.
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Occorre altresì considerare che le diverse fonti coprono i differenti usi dell’energia. Quindi, non esiste una fonte che possa coprire ogni necessità in modo ottimale. Parafrasando una pubblicità USA non esiste una scarpa che vada bene per tutti. Quindi, i distillati petroliferi sono usati prevalentemente nei trasporti, il carbone e il nucleare e le rinnovabili non programmabili per la produzione di energia elettrica, il gas naturale per sostenere i processi industriali ad alta temperatura, gli usi civili e la produzione elettrica. La distribuzione è fortemente dipendente dal paese considerato e dalla sua struttura industriale. Per fissare le idee, il fabbisogno energetico Italiano è utilizzato per i trasporti (31%), l’industria (23%), gli usi civili (35%), per l’agricoltura (2%), per gli usi non energetici (6%) e per i bunkeraggi (3%).
INDIPENDENZA VS RESILIENZA ENERGETICA
L’indipendenza energetica è la capacità di una nazione di soddisfare il proprio fabbisogno energetico attingendo a risorse interne, proteggendosi così dagli shock delle catene di approvvigionamento globali. La resilienza energetica è invece la capacità di una nazione di resistere a una variazione brusca, quale uno shock geopolitico o ambientale, adattandosi e riorganizzandosi in modo positivo.
Gli Stati Uniti sono l’unico paese industrializzato che è un esportatore netto di energia dato che ne produce più di quanta ne consumi. I fossili rappresentano la fonte predominante con l’82% del fabbisogno (37% petrolio, 36% gas naturale, 9% carbone). Il nucleare e le rinnovabili forniscono ciascuno il 9% del fabbisogno. Tuttavia, l’essere energeticamente indipendenti non difende dalle oscillazioni dei prezzi visto che i combustibili fossili sono una merce scambiata sui mercati globali. Il 21% del fabbisogno energetico copre gli usi residenziali, il 18% quelli commerciali, il 33% quelli industriali e il 28% i trasporti.
Il tasso di autosufficienza energetica della Cina ha raggiunto una stima dell’84.6%. Per isolare la propria economia dagli shock dell’offerta globale, Pechino ha adottato una strategia aggressiva volta a creare una “fortezza energetica”. Tale strategia combina il rapido potenziamento delle infrastrutture per le energie rinnovabili, l’estrazione interna di combustibili fossili, in particolare per il carbone dove è un esportatore, la creazione di riserve strategiche e la sovranità tecnologica, basata fortemente sulla raffinazione dei minerali critici necessari alla transizione energetica. Globalmente, importa il 70% del petrolio necessario e il 40% del gas naturale, gran parte dei quali dai paesi coinvolti nella crisi dello stretto di Hormuz.
L’India importa oltre il 70% del proprio fabbisogno energetico, inclusa una quota compresa tra l’85% e il 90% del petrolio greggio e il 50% del gas naturale.
Il tasso complessivo di dipendenza dalle importazioni energetiche dell’UE si aggira intorno al 57%, con una forte dipendenza dalla Norvegia per il gas naturale e dagli Stati Uniti per i prodotti petroliferi dopo l’interruzione delle forniture Russe a seguito degli eventi bellici in Ucraina. Politicamente EU spinge verso l’elettrificazione spinta dei consumi anche se questa ricetta si sta rilevando particolarmente costosa se non sostenuta da una ripresa degli investimenti sulla produzione nucleare.
Il tasso complessivo di importazione di energia dell’Italia è di circa il 78%, caratterizzato prevalentemente dall’importazione di combustibili fossili (gas e petrolio).
In conclusione, perseguire l’indipendenza energetica in un grande paese industrializzato è un’utopia. Al concetto di indipendenza deve sostituirsi quello di resilienza. Concetto che è strettamente legato al cosiddetto “mix energetico”, ovvero la combinazione delle diverse fonti di energia.
IL MIX ENERGETICO
Le economie di mercato competono tra loro e, di conseguenza, gli squilibri energetici possono mettere a rischio l’economia di un Paese. Per questo motivo, i mix energetici delle nazioni più avanzate tendono ad assomigliarsi. Ciò porta a scelte estremamente prudenti, dato che un errore può rivelarsi fatale. Come recita un vecchio detto, è saggio non mettere tutte le uova nello stesso paniere; in altre parole, non bisogna fare affidamento su un’unica tipologia di fonte. Per quanto riguarda l’Italia, la domanda da porsi è se possiamo permetterci un mix energetico che differisca sostanzialmente da quello dei nostri concorrenti, soprattutto considerando l’assenza di una componente nucleare e i limiti imposti allo sfruttamento delle nostre risorse minerarie.
In generale, uno dei fattori più rilevanti nelle scelte, a parte le disponibilità naturali del paese, è il bilanciamento tra prezzo, disponibilità e flessibilità della fornitura.
Nel caso del petrolio e del gas naturale, vi è un elevato numero di operatori che garantisce la concorrenza; non esiste un attore dominante in grado di controllare il mercato. Tuttavia, la stessa fonte primaria può essere fornita in modi diversi. Si consideri l’esempio del gas naturale.
Il GNL (Gas Naturale Liquefatto) comporta solitamente un prezzo finale più elevato rispetto al gas trasportato via gasdotto. Tale differenza di prezzo deriva dagli ingenti costi della filiera: liquefazione a temperature criogeniche, trasporto marittimo, stoccaggio e successiva rigassificazione. I gasdotti, al contrario, garantiscono un flusso continuo e diretto, con costi di transito inferiori sulle lunghe distanze a spese di ingenti investimenti iniziali per la loro costruzione. I gasdotti però vincolano i paesi acquirenti e quelli fornitori a rotte fisse. Il GNL, trasportato via nave, può essere rapidamente dirottato verso i mercati globali che offrono i prezzi più vantaggiosi.
Per quanto riguarda invece l’uranio, i principali paesi che dispongono di tecnologie e impianti per il suo arricchimento sono Russia (il maggiore operatore a livello mondiale), Cina, Francia, Regno Unito, Stati Uniti, Paesi Bassi e Germania. Vi rientrano anche nazioni con capacità di arricchimento su scala ridotta o focalizzate sulla ricerca, come Giappone, India, Pakistan, Iran, Brasile e Argentina. L’arricchimento è un processo industriale altamente specializzato. I quattro attori principali (che rappresentano oltre l’85% della capacità globale) sono Rosatom (Russia), Urenco, consorzio multinazionale con impianti in Germania, Paesi Bassi, Regno Unito e Stati Uniti, Orano azienda di stato Francese e CNNC, un colosso in rapida espansione di proprietà del governo cinese. In questo caso, esiste inoltre una distinzione fondamentale tra lavorazione ed estrazione: i paesi che arricchiscono l’uranio non sono necessariamente quelli che ne estraggono le quantità maggiori. L’estrazione di uranio grezzo è dominata dal Kazakistan (primo produttore mondiale, con circa il 39% del totale), seguito da Canada e Namibia.
Per quanto riguarda la fonte rinnovabile non programmabile il maggiore crescita, la Cina domina in modo assoluto la produzione globale di moduli fotovoltaici, rappresentando oltre l’85% della capacità produttiva mondiale. Sebbene l’assemblaggio avvenga a livello globale, la quota restante del mercato è suddivisa principalmente tra India, Stati Uniti e diversi paesi del Sud-est asiatico, come Vietnam, Thailandia e Malesia, con percentuali che oscillano tra il 3% e l’1%. Oltre alla fase di assemblaggio dei moduli, la Cina detiene un monopolio ancora più marcato sulla parte a monte della filiera produttiva. Una quota compresa tra l’85% e il 95% del silicio, dei lingotti e dei wafer utilizzati per realizzare le celle solari viene prodotta internamente in Cina. Occorre precisare che questi processi sono energeticamente intensivi e necessitano di una fornitura continua di energia, che è sostanzialmente prodotta in centrali a carbone.
IL FATTORE TEMPO E LE SCELTE RAZIONALI
La realizzazione di qualsiasi infrastruttura energetica richiede tempo:
- Raffineria di petrolio: 3-7 anni
- Oleodotto/Gasdotto: 10-15 anni
- Centrale nucleare tradizionale da 1 GW: 7-10 anni
- Impianto fotovoltaico di pari potenza (circa 5 GW): 4-6 anni (la produzione mondiale di moduli fotovoltaici si avvicina a 1000 GW/anno)
- Impianto idroelettrico: 8-10 anni
- Messa in esercizio di un’infrastruttura mineraria: 10-15 anni
- Sviluppo di una rete elettrica ad alta tensione: 10-15 anni
- Sviluppo di una centrale a turbogas: 6-8 anni (tempi di fornitura della turbina: 5 anni)
In linea di massima, una decisione presa oggi diventerà operativa tra 10 anni per la pianificazione, autorizzazione, progettazione, costruzione e avviamento. Come pianificare scelte razionali e non emozionali diviene quindi una scelta strategica per un Paese, visto che per qualsiasi paese sviluppato, la sfida consiste nel garantire una fornitura energetica continua (24 ore su 24, 365 giorni l’anno) in tutte le forme necessarie (elettricità, combustibili, calore, ecc.) al minor costo possibile, indipendentemente dalle turbolenze geopolitiche.
Per ciascuna fonte di energia primaria del mix energetico, occorre definire allora una funzione dinamica che valuti, per ogni GW di potenza e per ogni possibile fornitore:
- le spese in conto capitale (CAPEX) necessarie per realizzare l’infrastruttura;
- le spese operative (OPEX) previste nei diversi scenari;
- i fattori di rischio geopolitico;
- i fattori di rischio legati all’approvvigionamento dei materiali;
- le tempistiche necessarie per garantire la fornitura energetica (autorizzazioni, costruzione, ecc.);
- …….
È evidente che il modello risultante comprende numerosi parametri, caratterizzati da un elevato grado di interconnessione reciproca, per cui si debbono usare algoritmi di ottimizzazione per individuare il mix migliore in funzione di scenari più o meno probabili[6],[7],[8].
CONCLUSIONI
La disponibilità di energia abbondante e a basso costo ci ha portati a sottovalutarne l’importanza nella vita quotidiana. Non esiste attività umana che non dipenda dalla disponibilità di energia. L’energia è la materia prima fondamentale del nostro mondo e la portata del problema è enorme (circa 20 TW).
L’energia è una risorsa (commodity) e il suo utilizzo è determinato non solo dalle politiche, ma in gran parte anche dai costi. L’energia deve essere disponibile quando serve, su richiesta, 24 ore su 24, 365 giorni l’anno.
Nel corso della storia, le fonti di energia primaria si sono sempre affiancate a quelle preesistenti. Non si sono mai verificate sostituzioni totali: il mondo ha un disperato bisogno di energia per mantenere e accrescere la propria ricchezza.
Mix energetico: è saggio non puntare tutto su un’unica soluzione. Qualsiasi infrastruttura energetica richiede tempo per essere realizzata (pianificazione, autorizzazione, progettazione, costruzione, messa in servizio): in linea di massima, una decisione presa oggi diventerà operativa tra 10 anni (indipendentemente dal tipo di fonte primaria, a parità di potenza erogata).
In conclusione, la sicurezza energetica è una questione di resilienza, non di indipendenza.
[1] M. Masi, Energia e sviluppo binomio indissolubile, Lettera 150, vol 2, 2022 pag. 29-37
[2] Il prezzo delle materie prime energetiche è stabilito in dollari. Quindi al prezzo in dollari è sempre necessario considerare il valore del cambio tra le monete.
[3] https://www.qualescegliere.it/acqua-naturale
[4] È utile esprimere il fabbisogno energetico annuo (energia/anno) in unità di potenza. Con queste unità di misura il fabbisogno energetico mondiale è dell’ordine della decina di TW. Alcune conversioni di unità di misura tra le “unità energetiche” più impiegate sono le seguenti 1 TW = 1012 W = 751.9 MTEP/anno (milioni di tonnellate di petrolio equivalente/anno) = 31.536 1018 J/anno = 31.536 EJ/anno = 8760 TWh/anno).
[5] TES total energy supply, fabbisogno energetico globale
[6] J. Brodni e M. Tutak, Applied Energy 347 (2023) 121443
[7] J. Marczyk, Practical Complexity Management
[8] R. Idel, Energy 259 (2022) 124905