La transizione verso l'energia pulita: una guida
Di Tsung Xu: 1 Marzo 2022 – traduzione di Ugo Bardi
https://www.tsungxu.com/clean-energy-transition-guide/
Alimentata dal solare, dal vento e dalle batterie agli ioni di litio, la transizione dell'energia pulita sta rimodellando il mondo. Poco più di un anno fa, non avrei creduto a questa affermazione.
All'epoca, non mi rendevo conto di quanto velocemente si stessero moltiplicando questi cambiamenti. Da allora ho imparato un sacco di cose sulle transizioni energetiche e sulla tecnologia del clima, ho analizzato i dati e ho triangolato le intuizioni.
Oggi, non ho dubbi sulla transizione dell'energia pulita e sull'impatto che avrà sulle nostre vite e società. La frase “transizione energetica” è anche un eufemismo e poche persone al mondo ne hanno vissuta una prima di sapere diversamente. Guardando la storia si supera la nostra amnesia collettiva per vedere quanto siano state importanti le transizioni energetiche, e si accenna al percorso che stiamo facendo ora.
Una visione molto semplificata del passaggio alle tecnologie energetiche pulite.
Questo post spiega cosa sta guidando la transizione ed esplora le opportunità emergenti. Abbastanza nuovo all'argomento? Questa potrebbe essere una panoramica che ti aiuta a orientarti mentre impari di più. Stai già giocando il tuo ruolo nella transizione? Potresti trovare una prospettiva che sfida il tuo pensiero o ti sorprende. Potresti anche essere spinto a costruire o unirti a un'azienda per sfruttare le enormi opportunità della transizione energetica.
Andiamo.
Introduzione
Le seguenti intuizioni sono brevi riassunti. Nella sezione Key Takeaways qui sotto, rivisiteremo ogni intuizione in modo più dettagliato. Nelle sezioni principali, discutiamo poi ogni punto in modo più approfondito.
Approfondimento 1: il crollo dei costi del solare e delle batterie sono ora al punto di svolta
I costi delle batterie solari e agli ioni di litio continuano a scendere, e sono ora a punti di svolta di crescita sostenuta e rapida, come mostrato in questi grafici.
Nella generazione di elettricità, il solare e l'eolico stanno rapidamente crescendo verso la sostituzione dei combustibili fossili. Nella mobilità, i prezzi delle batterie agli ioni di litio hanno permesso che i costi dei veicoli elettrici (EV) siano paragonabili a quelli delle auto a gas.
Questi punti critici sono acceleratori che ci spingono verso un futuro di energia pulita.
Approfondimento 2: man mano che la produzione aumenta, il solare, l'eolico e le batterie diventano più economici e migliori
Possiamo produrre pannelli solari e turbine eoliche per generare energia, e batterie per immagazzinarla. Questo permette di impiegare un maggior numero di queste risorse mentre i costi diminuiscono e le prestazioni migliorano, come mostrato qui sotto.
Nelle precedenti transizioni energetiche, questo ciclo auto-rinforzante non è mai stato sostenuto per più di qualche decennio. Di conseguenza, le previsioni sulla diffusione e sui costi dell'energia pulita sono state costantemente insoddisfacenti.
Approfondimento 3: l'elettricità economica e pulita permette nuove industrie
Già storicamente a buon mercato, il prezzo dell'elettricità dal solare e dall'eolico continuerà a scendere. Il solare probabilmente guiderà la maggior parte delle riduzioni dei costi.
I prezzi dell'elettricità stanno diventando abbastanza economici da permettere alle nuove industrie elettrochimiche di prosperare, come mostrato sopra. Le opportunità emergenti includono la cattura diretta dell'aria guidata dall'elettricità e la produzione di nuovi materiali. Vedremo in seguito che gli imprenditori che vedono la velocità della transizione energetica sono quelli che ne costruiscono il futuro.
Approfondimento 4: le fonti di energia emergenti si sviluppano attraverso fasi simili
Le transizioni del carbone, del petrolio e dell'elettricità sono passate attraverso fasi simili, che potete vedere nel grafico qui sotto. Oggi anche il solare, l'eolico e le batterie stanno scalando attraverso queste fasi.
Le fonti di energia hanno cicli di feedback che si rafforzano reciprocamente con altre tecnologie, che aiutano a guidare un'ulteriore adozione. Per esempio, il motore a combustione interna e i prodotti petrolchimici hanno spinto una maggiore domanda di petrolio, permettendogli di guadagnare una quota crescente dell'uso globale di energia all'inizio e alla metà del XX secolo.
Questi cicli e fasi di feedback possono aiutare a guidare quanto siamo avanti nella transizione e quali opportunità stanno emergendo.
Come leggere questa guida
Non vi illudete: questa è una lettura piuttosto lunga. Se vi sentite motivati, continuate a leggere. C'è una narrazione generale che collega le sezioni, ma ogni sezione è in gran parte autonoma.
Se volete solo un riassunto, questi sarebbero i punti chiave da prendere. Poi, si può scegliere una sezione per immergersi ulteriormente usando l'indice. Navigare e nel documento dovrebbe essere abbastanza facile con i contenuti persistenti su desktop o i pulsanti "torna ai contenuti" alla fine di ogni sezione su mobile.
Introduzione
Motivazioni
I punti chiave da prendere in considerazione
1 Modelli nelle precedenti transizioni energetiche
2 Generazione: Solare ed eolico
3 Stoccaggio: Batterie, EV e altro
4 Mentre l'energia diventa ancora più economica...
5 Opportunità: Rimozione e utilizzo di CO2
6 Opportunità: Materiali emergenti
7 Fattori di transizione
8 Una visione per il 2045
Conclusione
Crescita non lineare contro crescita lineare. Vedere la figura qui sotto.
Motivazioni
L'energia (e il clima) sono problemi incredibilmente eccitanti e d'impatto su cui lavorare. Questo spazio affronta due cose nella mia mente. Uno è il rischio del cambiamento climatico, dove tutti dovremmo cercare di evitare gli esiti peggiori. Due è il continuo progresso della tecnologia energetica, senza il quale il progresso umano potrebbe ristagnare.
Per oltre un anno, ho studiato la transizione dell'energia pulita. Ho parlato con decine di fondatori di tecnologie pulite e ingegneri e ho assorbito libri, rapporti di ricerca, documenti, podcast e innumerevoli articoli.
Due cose sono diventate chiare.
In primo luogo, le tecnologie solari e delle batterie agli ioni di litio sono state il cuore della transizione energetica. Il loro rapido ritmo di adozione e la drastica riduzione dei costi sono stati senza precedenti per le tecnologie energetiche.
In secondo luogo, pochissimi addetti ai lavori con cui ho parlato o da cui ho imparato sembravano pensare che il solare e le batterie avrebbero avuto l'impatto che stavo iniziando a pensare.
Ho sbagliato? Ho capito che c'è una pletora di problemi tecnologici, di implementazione, politici e di altro tipo. Questi potrebbero frenare il cammino verso un futuro energetico pulito ed economico?
Continuando la mia ricerca, ho raccolto più dati e la convinzione che le energie pulite avrebbero avuto un impatto incredibile.
Durante le mie ricerche, non mi sono imbattuto in un articolo come questo che ho scritto, ma mi avrebbe davvero aiutato ad orientarmi. Spero che questo pezzo possa aiutare come guida per almeno alcune persone che sono curiose di conoscere la transizione e dove potrebbe andare.
Scrivendo questo testo, mi propongo di trovare colleghi che amano discutere e costruire, e che vedono le opportunità per sperimentare insieme.
Perché la transizione all'energia pulita è sottovalutata
È difficile per noi comprendere ciò che non abbiamo mai vissuto. Poche persone vive oggi hanno assistito alle precedenti transizioni energetiche. Questo rende facile sottovalutare l'impatto che hanno avuto, e quanto velocemente tendono ad accadere una volta in movimento. Dopo tutto, l'ascesa del carbone, del petrolio e dell'elettricità è avvenuta più di cento anni fa nei paesi sviluppati. Poiché quasi nessuno in vita aveva vissuto l'influenza spagnola cento anni fa, il COVID ci ha mostrato quanto breve sia di solito la nostra memoria collettiva per eventi rari di scala planetaria.
È facile pensare che la rapida scalata della tecnologia solare, eolica e delle batterie non possa essere sostenuta. Ogni transizione passa attraverso dolori di crescita. Ma quando c'è una domanda insaziabile, le industrie trovano il modo di soddisfarla. Questo è stato il caso del carbone, del petrolio e dell'elettricità, come vedremo, ed è il caso oggi delle energie pulite a basso costo. C'è la preoccupazione correlata che le riduzioni decennali dei costi per il solare e le batterie si appiattiscano. Come vedremo, questo è molto improbabile. La tecnologia e i processi esistenti continueranno a migliorare e nuove tecnologie saranno commercializzate.
È difficile pensare alle tecnologie e al cambiamento come se fossero non lineari. Mostriamolo con un esempio. Supponiamo di iniziare con un granello di sabbia. Diciamo che questo granello si duplica ogni anno. Quanti anni ci vorrebbero perché questo granello si replichi nel numero totale di granelli di sabbia sulla Terra? Supponiamo che ci siano 7,5 miliardi di miliardi (7,5 x 10^18) di granelli di sabbia nel mondo. Qual è la risposta? 10.000 anni? 1,000? In realtà, ci vorrebbero meno di 63 anni o raddoppi. Se il granello di sabbia solitario si duplica ogni due anni (cioè cresce al 41,4% all'anno), ci vuole solo il doppio del tempo per raggiungere quel traguardo. Questi esempi sembrano estremamente controintuitivi, ma è difficile per le persone pensare in questo modo. Chi ha esperienza di startup tende a capire meglio il pensiero non lineare, perché la trazione iniziale e la crescita sono tutto. Il solare, l'eolico e le batterie sono cresciuti e continueranno a crescere per qualche tempo in questo modo. Il problema è che su un orizzonte temporale di pochi anni, la crescita accelerata sembra ingannevolmente lineare, come mostrato qui.
Il solare è cresciuto ad una media di quasi il quaranta per cento ogni anno dal 1976, quando abbiamo cominciato ad avere dei dati affidabili. Dall'esempio dei granelli di sabbia, si potrebbe riconoscere che si tratta di un quasi raddoppio ogni due anni. Quanto pensate che la capacità solare installata sia cresciuta da allora? Di oltre due milioni di volte. Naturalmente, questi tassi di crescita rallenteranno man mano che ci muoviamo lungo la curva a S. Ma abbiamo già installato abbastanza solare per essere solo ad un fattore 15 di distanza da diventare la fonte primaria di generazione di elettricità a livello globale.
Nel nostro tempo, c'è la percezione che non possiamo scalare velocemente i prodotti fatti di atomi come quelli di bit. La saggezza convenzionale sostiene che il software scala meglio dell'hard tech. Come vedremo, questa percezione non è vera, dato che alcuni prodotti fisici nelle industrie clean tech stanno scalando molto, molto velocemente. Questo punto di vista probabilmente blocca molte persone brillanti e motivate nei paesi sviluppati che lavorano su tecnologie complesse e difficili. Tuttavia, ci sono segni promettenti che più persone stanno cercando di lavorare nell'energia pulita e nel clima.0
Costi in calo per il solare e le batterie. Vedere le cifre qui sotto.
I punti chiave da prendere in considerazione
Diamo un'occhiata più da vicino alle quattro intuizioni principali dell'introduzione.
1) I costi del solare e delle batterie stanno crollando a picco
Il solare è già diventato la fonte di energia più economica della storia, insieme al vento. Dal 1976, i costi solari (in dollari per watt) sono scesi in media di oltre il 12% all'anno. Dalla prima commercializzazione nel 1991, i costi delle batterie agli ioni di litio (in dollari per kWh) sono scesi in media del 12,9% all'anno. Questi prezzi in calo del solare, dell'eolico e delle batterie hanno recentemente raggiunto dei punti critici che guideranno una crescita continua.
Il costo degli elettroni solari o eolici è ora più economico del funzionamento delle centrali fossili esistenti in molte parti del mondo. Questo è un punto di svolta che fa crescere sostanzialmente la dimensione del mercato dell'energia solare ed eolica.
Fatto usando i dati di IRENA.
Come mostrato sopra, questo ha portato il solare e l'eolico a superare il 75% della nuova capacità globale di generare elettricità nel 2020, rispetto alle basse percentuali a una cifra nei primi anni 2000. Mentre i costi continuano a scendere, il solare e l'eolico continueranno a superare i combustibili fossili in più regioni.
Le batterie agli ioni di litio stanno raggiungendo soglie di costo tali da poter alimentare il boom dei veicoli elettrici e dello stoccaggio stazionario.
La Tesla Model 3 è economica quanto i modelli a benzina concorrenti di Audi, Mercedes e BMW, ma li ha superati tutti nel 2020. Nei prossimi anni, un numero crescente di modelli elettrici puri in più paesi diventerà economico come i concorrenti a benzina. Le batterie a basso costo e ad alte prestazioni stanno rendendo i veicoli elettrificati sempre più competitivi dal punto di vista dei costi, dalle due ruote alle barche e ai camion elettrici.
Immagazzinare l'elettricità in grandi batterie sta facendo scendere il costo dell’energia pulita. Le distribuzioni di batterie nelle reti negli Stati Uniti, in Cina e in altre aree stanno aumentando vertiginosamente, e sono sempre più spesso abbinate a impianti solari su scala industriale. Quando sono accoppiati, il solare e le batterie sono reciprocamente vantaggiosi, essendo più preziosi delle batterie da sole.
2) Con l'aumento della produzione, il solare, l'eolico e le batterie diventano più economici e migliori
Stiamo assistendo a una crescita sostenuta e incredibile di queste tecnologie di energia pulita. Il solare è la fonte di energia in più rapida crescita nella storia.
L'elettricità generata dal solare è cresciuta a quasi il 40% di tasso annuo composto (CAGR)1 negli ultimi venti anni. Anche il vento non è da meno, avendo generato quasi il 22% in più di elettricità ogni anno, in media, durante lo stesso periodo.
Nel frattempo, i veicoli elettrici (EV) e lo stoccaggio su larga scala stanno guidando la domanda di batterie agli ioni di litio in piena espansione. Le vendite di veicoli elettrici sono cresciute a circa il 57% CAGR negli ultimi nove anni, come mostrato in questo grafico. Lo stoccaggio per la rete sta tenendo il passo, con una crescita globale delle batterie del 58% CAGR negli ultimi otto anni.
Realizzato utilizzando i dati di EV Volumes.
Questo boom emergente nella domanda di batterie agli ioni di litio ha creato alcune delle aziende che crescono più velocemente al mondo come Tesla, CATL e altre.
Il solare, l'eolico e le batterie sono tecnologie energetiche prodotte, non estratte dalle miniere. Di conseguenza, la rapida crescita della loro diffusione permette diminuzioni di costo e migliori prestazioni più simili ai chip dei computer o all'elettronica che ai combustibili fossili. Il carbone e il gas semplicemente non possono continuare a rimanere competitivi. Mentre le centrali a carbone e a gas naturale sono diventate più economiche da costruire man mano che se ne sono sviluppate di più (capex), il costo dei combustibili stessi è effettivamente salito nel corso di decenni di sviluppo, facendo aumentare i costi operativi.
Una nota è che la produzione di solare, eolico e batterie richiede l'estrazione e la lavorazione di minerali. Ma una volta prodotti, a differenza dei combustibili fossili, non sono necessarie ulteriori estrazioni. Questo ciclo di feedback auto-rinforzante è mostrato nel diagramma qui sotto.
Mentre i costi sono crollati, le caratteristiche del solare e delle batterie continuano a migliorare. La tecnologia solare fotovoltaica (PV) si è sviluppata con molti miglioramenti in tutta la catena di fornitura. Anche le caratteristiche delle batterie come la densità di energia, il numero di cicli e la sicurezza sono migliorate rapidamente.
3) L'elettricità economica e pulita permette nuove industrie
Il solare e l'eolico ora generano gli elettroni più economici della storia, e stanno continuando a diventare più economici. Questo continuerà a far abbassare i costi dell'elettricità, specialmente per gli usi commerciali e industriali.
LCOE significa costo livellato dell'elettricità. Vedere 2 per le fonti di dati e l'approccio all'aggiustamento dei prezzi per l'inflazione.
Come mostrato nel grafico qui sopra, i grandi consumatori di energia elettrica degli Stati Uniti hanno forti incentivi ad acquistare direttamente l'elettricità dalle centrali solari ed eoliche.
Anche il ritmo delle riduzioni dei costi per gli elettroni generati dal solare è un record storico. La caduta dei costi dell'elettricità creerà industrie che stanno emergendo ora, così come quelle che devono ancora emergere.
Per esempio, le startup stanno scommettendo su elettroni economici per alimentare la cattura e/o la conversione della CO2. La cattura diretta dell'aria rimuove la CO2 dall'aria. La CO2 può poi essere convertita elettrochimicamente in materiali a base di carbonio, carburanti e altri prodotti. Anche altre industrie sono destinate a trarre vantaggio dal costo inferiore dell'elettrificazione.
Il grafene e i materiali monostrato erano stati isolati e inventati vent'anni fa. Oggi, questi materiali sono sempre più utilizzati in un numero crescente di mercati di nicchia. Gli elettroni puliti ed economici potrebbero giocare un ruolo chiave nell'accelerare l'adozione di materiali emergenti come il grafene.
4) Le fonti di energia emergenti si sviluppano attraverso fasi simili
Prima di tuffarci nella transizione dell'energia pulita, è molto utile acquisire un modello mentale di come si sono svolti momenti analoghi nella storia. Mentre ci sono molte differenze, ci sono anche paralleli tra le transizioni energetiche del passato e questa.
Esploreremo la prima ascesa del carbone, del petrolio e dell'elettricità e dove si trovano oggi. È facile pensare che il progresso avvenga molto più velocemente oggi che in passato. Questo è vero per certi versi, ma vedremo che alcune tecnologie alimentate dall'energia si sviluppano in modo sorprendentemente rapido, anche per gli standard odierni.
Andamento approssimato della quota di carbone, petrolio ed elettricità nell'uso globale di energia nel tempo. Vedere il grafico più avanti nella sezione. Le statistiche e i riferimenti in questa sezione sono tratti da Energy, A Human History di Richard Rhode.
1 Modelli nelle precedenti transizioni energetiche
Quando ho esaminato per la prima volta l'aumento del carbone, del petrolio e dell'elettricità,3 sono rimasto sorpreso di trovare alcuni modelli. Queste transizioni energetiche chiave nella storia passano tutte attraverso fasi simili, come mostrato nella figura qui sotto. Dopo essere stata scoperta, la fonte di energia (o il vettore nel caso dell'elettricità) trova un punto d'appoggio in mercati di nicchia dove supera gli operatori storici. Col tempo, quando la tecnologia matura, può entrare in mercati più grandi. Poi, nella fase più trasformativa, emergono nuove infrastrutture per la fonte di energia, vengono abilitati nuovi materiali ed emergono nuove industrie.
Fasi iniziali di una transizione energetica. Man mano che la fonte di energia si espande in mercati più grandi, guadagna in uso rispetto ad altre fonti di energia.
All'inizio di una transizione energetica, c'è spesso più attenzione su quanto bene possano fare le cose esistenti. Gli esempi includono quanto bene il carbone possa riscaldare e il petrolio e l'elettricità possano illuminare. Ma l'impatto maggiore per qualsiasi transizione energetica, come per altre nuove tecnologie, è quello di permetterci di fare cose nuove.
Prendete un addetto ai motori a vapore in Gran Bretagna nel 1800, quando i motori a vapore erano per lo più limitati al pompaggio dell’acqua nelle miniere di carbone e all'industrializzazione del ferro. Avrebbero potuto concepire che entro cinquant'anni, queste macchine alimentate a carbone avrebbero guidato persone e rifornimenti attraverso i binari posati in tutto il paese? O che cinquant'anni dopo, i grattacieli fatti di acciaio (usando forni a coke - carbone riscaldato -) avrebbero cominciato a spuntare nelle grandi città?
O prendete un appassionato di auto a New York, nel 1900, quando c'erano solo una manciata di auto a benzina su strade dominate dai cavalli. Avrebbero mai creduto che solo 13 anni dopo, le strade di Manhattan sarebbero state piene di automobili e si sarebbero trovati pochi cavalli? O che trent'anni dopo il petrolio avrebbe cominciato ad essere raffinato in polimeri e plastica?
Infine, prendete un innovatore dell'elettricità negli Stati Uniti nel 1890, quando le prime reti elettriche in tutta la città erano state installate da meno di dieci anni, per lo più utilizzate per alimentare le luci. Avrebbero mai pensato che l'alluminio, che non molto tempo prima era più costoso dell'oro, sarebbe stato presto prodotto commercialmente usando l'elettricità? O che entro la fine dei ruggenti anni 20, più di due case americane su tre avrebbero avuto accesso all'elettricità?
Le transizioni si rafforzano a vicenda. Migliori tecnologie di distribuzione e materiali guidano un'ulteriore adozione e investimenti nella fonte di energia.
Ho trovato qualcos'altro di sorprendente nelle precedenti transizioni energetiche. Ognuna di esse ha successivamente abilitato nuove modalità di trasporto e nuovi materiali che erano molto difficili da concepire durante le sue prime fasi. In ognuna delle transizioni passate, la fonte di energia ha sbloccato nuove tecnologie di distribuzione e materiali che hanno aiutato a guidare l'adozione della fonte di energia stessa. Come vedremo più avanti, lo stesso vale per il solare, l'eolico e le batterie.
Diamo un'occhiata più da vicino a ciascuna di queste transizioni passate come guida a ciò che potrebbe essere in serbo per la porta della transizione dell'energia pulita.
1.1 Carbone: vapore, locomotive e ferro
Nicchia iniziale
Nel 17° secolo, la legna scarseggiava in Inghilterra. I prezzi salivano vertiginosamente, dato che la popolazione di Londra era aumentata di 8 volte tra il 1500 e il 1650, determinando una maggiore domanda di legna da ardere. Man mano che le foreste venivano abbattute, la legna doveva essere trasportata su strade fangose sempre più lontane dai centri abitati. Questo creò l'opportunità di un'alternativa per servire il paese in piena espansione.
Nonostante il suo fumo un po' tossico, il carbone era più economico e più facile da commercializzare del legno. Nel XVII secolo, le miniere di carbone erano situate vicino ai fiumi. In questo modo, il combustibile poteva essere spedito su barche a Londra e in altri luoghi per fondere il ferro o costruire navi. Con il boom di Londra, le spedizioni di carbone verso la città aumentarono di più di un ordine di grandezza durante il secolo.
Ma le prime miniere di carbone erano pericolose, spesso si allagavano e uccidevano i minatori. Le prime macchine a vapore alimentate a carbone, inventate da Thomas Newcomen nel 1712, meccanizzavano il pompaggio dell'acqua fuori dalle miniere. Erano stazionarie e grandi come una piccola casa, ma sufficienti per evitare le inondazioni. Il loro uso salvò la vita di molti minatori e permise la prima scalata industriale dell'estrazione del carbone.
Il commercio della ghisa: l’espansione del mercato
Negli anni 1740 il carbone era già utile non solo per il riscaldamento degli ambienti. La Coalbrookdale Company fu la prima ditta a usare il carbon coke per fondere il ferro, permettendo la produzione di massa di ghisa per la prima volta nella storia. L'azienda usò anche i motori a vapore di Newcomen per sostituire le pompe azionate dai cavalli, riducendo i costi nel processo. Meno di 60 anni dopo, il ferro aveva sostituito il legno nella maggior parte degli usi di produzione e costruzione in Gran Bretagna.
Prima del XIX secolo, le miniere di carbone si limitavano ad essere vicine ai corsi d'acqua. Le strade e i cavalli non erano adatti, e così il carbone veniva caricato sulle barche. Questo significava che il carbone doveva ancora essere trasportato dalla miniera all'acqua, usando all'inizio binari di legno.
Tecnologie che si rafforzano reciprocamente mentre il carbone diventa la fonte di energia primaria a livello globale entro il 1910.
Locomotive: distribuzione
Le ferrovie furono sviluppate per risolvere questo problema. Verso la fine del XVIII secolo vennero sviluppati motori a vapore a pressione più alta, e all'inizio del XIX secolo vennero utilizzati progetti migliori per alimentare le locomotive a vapore. I binari ferroviari passarono dall'essere fatti di legno alla ghisa e poi al ferro battuto in questo periodo, permettendo alle ferrovie di iniziare a trasportare carbone, carichi di altro genere e persone. Le miniere di carbone potevano essere costruite sempre più lontano dai fiumi.
In altre parole, la produzione industriale di ferro e le macchine a vapore, entrambe basate sul carbone, aiutarono a liberarsi dalle limitazioni iniziali di approvvigionamento del combustibile. Queste tecnologie si rafforzarono a vicenda e il loro impatto sarebbe stato difficile da comprendere nel XVII secolo. Permisero di fare cose completamente nuove.
Una volta che l'offerta di carbone fu libera, la produzione crebbe rapidamente nel XIX secolo e si diffuse dall'Inghilterra all'Europa e agli Stati Uniti. Ha permesso alla produzione di ferro di raddoppiare ogni 10 anni dal 1788 per decenni. Se invece del carbone fosse stato usato il carbone di legna per fare i binari di ferro, semplicemente non ci sarebbe stata abbastanza legna in Inghilterra.
Commercializzazione della produzione di acciaio
Una svolta nella produzione dell'acciaio alla fine degli anni 1850, il processo Bessemer, avrebbe aiutato gli Stati Uniti a catapultare la produzione di acciaio oltre 400 volte dal 1867 al 1900. A quel punto, gli Stati Uniti producevano un terzo della produzione mondiale. Proprio come allora, ancora oggi, la produzione di acciaio utilizza in gran parte coke ricavato dal carbone.4
La transizione dal legno al carbone per i paesi in via di industrializzazione è stato il cambiamento energetico più veloce e drammatico fino a quel momento nella storia dell'umanità. Fino ad allora, avevamo usato la biomassa a base di legno per il calore e le materie prime per milioni di anni.
R
ealizzato utilizzando i dati di Our World In Data. Dati precedenti al 1800 stimati in base al consumo di carbone nel periodo che sale dal ~0% nel 1700.
Nel 1900, il carbone era dominante, come mostrato in questo grafico. Forniva oltre il 90% dell'energia del Regno Unito e il 70% di quella degli Stati Uniti.
Ma solo dieci anni dopo, l'uso del carbone avrebbe raggiunto il picco, in gran parte perché il petrolio era in rapida ascesa.
1.2 Petrolio, motori a combustione interna e polimeri
Nicchia iniziale
Il prodotto-mercato iniziale adatto al petrolio era l'illuminazione. La ricerca del petrolio fu guidata dalla ricerca di una materia prima più economica per il cherosene, un olio per l'illuminazione che era stato precedentemente raffinato dal carbone. Il primo pozzo negli Stati Uniti, scavato con un motore a vapore, iniziò a produrre nel 1859. Il petrolio poteva essere raffinato in cherosene e solo 6 anni dopo il mercato del petrolio per l'illuminazione aveva già decuplicato la produzione.
La corsa al petrolio era iniziata, inizialmente negli Stati Uniti a Titusville, in Pennsylvania. Ma, come per il carbone, c'erano problemi di trasporto e stoccaggio da superare. Ci vollero 3 anni per un collegamento ferroviario per la città, e un altro anno per il primo oleodotto da ferrovia a pozzo.
La Standard Oil di John D. Rockefeller era l'emergente raffinatore di petrolio dominante. Consolidò l'offerta e fece accordi per ridurre i costi del cherosene del 55% dal 1865 al 1870. La Standard Oil spinse l'efficienza nella raffinazione, incluso l'uso della benzina per aiutare le raffinerie. Prima che la benzina trovasse un mercato nei motori a combustione interna, altri raffinatori la scaricavano, spesso nei fiumi. Sembra incredibile oggi, ma allora volevano solo fare cherosene.
Nel 1870, il cherosene, più economico e raffinato, aveva conquistato il mercato dell'illuminazione negli Stati Uniti. Ma nonostante la fornitura di quasi 5 milioni di barili prodotti in Pennsylvania quell'anno, l'illuminazione era ancora solo un primo passo verso mercati più grandi. Non ci sarebbe stato un mercato più grande per il petrolio, e forse per qualsiasi altra fonte di energia fino ai nostri tempi, che il motore a combustione interna.
Motori e automobili: distribuzione
Il successo del motore a combustione interna (ICE) sarebbe diventato il motore principale della domanda di petrolio per il XX secolo.
Intorno al 1900, le auto con motore a vapore e persino le auto elettriche a batteria erano più popolari delle auto ICE negli Stati Uniti. In Europa, la Porsche P1 (che sta per Porsche numero 1), fu costruita nel 1898 con una batteria al piombo. Tuttavia, il vantaggio iniziale dell'adozione delle auto a vapore ed elettriche sarebbe stato di breve durata. Pur essendo una tecnologia matura, i motori a vapore erano complicati da far funzionare e piacevano soprattutto ai primi hobbisti. I veicoli elettrici mancavano di infrastrutture di ricarica al di fuori delle città, in un periodo in cui molte più persone vivevano in zone rurali.
Nel 1900, i veicoli ICE non avevano la maturità tecnologica dei motori a vapore, né la semplicità delle auto elettriche. Ma grazie al boom del petrolio, le auto ICE avevano infrastrutture di rifornimento distribuite in tutti gli Stati Uniti. Nei decenni precedenti, la benzina derivata dal petrolio aveva trovato molti usi al di fuori delle città, usata come detergente e solvente. Gli agricoltori avevano adottato motori a benzina stazionari per "tutto, dalle lavatrici ai mulini per il grano".5 Questo significava che i negozi generali nelle aree rurali e urbane erano riforniti di benzina.
Nella foto del 1900, l'auto è quasi al centro. Nel 1913, diversi cavalli sul lato destro della foto. Fonti per le foto del 1900 e del 1913.
La benzina aveva una distribuzione superiore e le automobili erano sempre più convenienti. Nel 1914, c'erano quasi 1,7 milioni di veicoli a motore registrati negli Stati Uniti, un mercato che è cresciuto con un CAGR del 46% in 14 anni. Vedi la foto scattata nel 1913 sulla 5th Avenue qui sopra. Solo 13 anni prima, nel 1900, non c'erano quasi auto sulla strada. Questa è stata una transizione straordinariamente rapida, che, come discuteremo più avanti, è di buon auspicio per i veicoli elettrici nel 2020.
Quasi tutti i veicoli venduti a quel tempo erano alimentati a ICE. La Ford Model T aveva aiutato a scalare rapidamente l'adozione dei veicoli ICE abbassando i costi in modo drammatico. Henry Ford progettò l'auto per avere meno parti (meno di 100) che erano intercambiabili tra le auto, aumentando notevolmente l'efficienza degli operai e semplificando il processo di produzione.
Tecnologie che si rafforzano reciprocamente con il petrolo che cresce fino a diventare la principale fonte di energia a livello globale alla fine del 20° secolo.
Polimeri: una nuova classe di materiali
I polimeri derivati dal petrolio sarebbero diventati una classe completamente nuova di materiali. La bachelite, inventata nel 1907, fu il primo polimero sintetico e fu effettivamente ricavato dal carbone. Fu usata come isolante elettrico per gli Stati Uniti in rapida elettrificazione e in tutto, dalle radio, ai ferri da stiro, ai pettini, come lodò la rivista Time in una copertina del 1924. Il successo della bachelite diede il via a una corsa tra le aziende chimiche per scoprire nuovi polimeri sintetici, anche se all'inizio non avevano usi.
L'investimento di R&S nei polimeri sintetici da parte di molte aziende chimiche ha iniziato a dare i suoi frutti negli anni '30. Il nylon fu inventato e usato nella seconda guerra mondiale (e ancora oggi) per paracaduti, corde e calze. Il plexiglass fu usato nei finestrini degli aerei e il polietilene6 fu usato per gli imballaggi.
Realizzato utilizzando i dati di Our World in Data. ICE = motore a combustione interna
Proprio come per il carbone, l'uso diffuso e la distribuzione del petrolio permisero lo sviluppo e l'uso in scala di nuovi materiali, come mostrato qui. Furono create intere nuove industrie.
Per quanto importante, un punto chiave ha limitato l'ascesa del petrolio è stato il costo. Il petrolio non è mai stato abbastanza economico per produrre elettricità, a differenza del carbone, o più tardi del gas naturale e ora del solare e dell'eolico.
Parallelamente all'ascesa del petrolio, anche l'elettricità stava guadagnando terreno. Nonostante il suo impatto già enorme nel 20° secolo, l'elettrificazione è appena iniziata.
1.3 Elettricità, alluminio e linee di trasmissione
Nicchie iniziali
Dopo più di un secolo di progressi nella ricerca, l'elettricità doveva ancora essere commercializzata a metà del XIX secolo. Alcuni primi usi come il telegrafo e il telefono si erano già dimostrati utili. Tuttavia, a quel tempo, non c'erano casi d'uso che richiedevano fonti più abbondanti di elettroni.
La commercializzazione della lampadina a incandescenza da parte di Thomas Edison nel 1879 fu la prima killer app. Le lampadine erano più luminose e duravano molto di più delle lampade a cherosene. Ironicamente, il petrolio aveva iniziato a sostituire il carbone nella fornitura di cherosene solo venti anni prima dell'invenzione di Edison.
La prima adozione della luce elettrica fu rapida. Nel 1882, solo tre anni dopo, Edison aveva installato la prima centrale elettrica commerciale degli Stati Uniti nella bassa Manhattan, inizialmente per 82 clienti in pochi isolati. Due anni dopo, Edison riforniva oltre 500 persone con più di 10.000 luci elettriche.
Le prime guerre di distribuzione
L'elettricità poteva essere trasmessa solo a distanze molto limitate e utilizzava un'infrastruttura a corrente continua (DC) all'epoca. Edison sosteneva la corrente continua, ma i fili di rame si fondevano se trasmessi su lunghe distanze. Inoltre, c'era un limite al numero delle centrali a carbone inquinanti che la gente poteva tollerare vicino alle città.
C'è voluto un passaggio dalla corrente continua alla corrente alternata (AC) per distribuire l'elettricità molto più ampiamente di alcuni isolati di città. Una volta sviluppata e testata negli anni 1880-90, poteva trasmettere elettroni a decine di miglia inizialmente, con una gamma di trasmissione che aumentava con tensioni più alte.
Tecnologie che si rafforzano a vicenda nell'ascesa dell'elettricità nel XX secolo.
Alluminio commercializzato
L'elettricità generata era anche abbastanza economica da permettere la produzione di materiali come l'alluminio per la prima volta in modo economico.
Quando fu aperta nel 1895, l'energia idroelettrica delle cascate del Niagara fu usata per alimentare il terzo impianto di fusione di Alcoa. Prima che l'elettrolisi del suo ossido fosse possibile con elettroni più economici, il metallo era difficile e costoso da raffinare dal minerale. Era più costoso dell'oro e, di conseguenza, raro.
La produzione globale di alluminio sarebbe aumentata di 15 volte dal 1900 al 1916, quando i costi di elettrolisi scesero e il metallo trovò più usi. I fratelli Wright usarono un motore d'aereo in lega di alluminio nel 1903, e l'alluminio cominciò ad essere ampiamente utilizzato negli aerei della seconda guerra mondiale e nei satelliti durante la corsa allo spazio.
L'alluminio ha anche sostituito il rame nelle linee di trasmissione, permettendo alle linee a lunga distanza di essere economicamente più fattibili. Era più economico, più leggero e permetteva di costruire torri di trasmissione più leggere (e anche più economiche), nonostante non fosse conduttivo come il rame.
Apparecchi elettrificati: mercati in crescita
Le case e gli edifici divennero sempre più elettrificati, con circa cinque famiglie su sei collegate alla rete entro la fine degli anni '20. L'uso dell'elettricità per famiglia continuò a crescere man mano che si diffondevano gli elettrodomestici, specialmente dopo la seconda guerra mondiale. Lavatrici, frigoriferi, televisori, condizionatori d'aria, lavastoviglie si fecero strada nelle case dei paesi sviluppati entro gli anni '70.
Fatto usando i dati della BP Statistical Review of World Energy e di Vaclav Smil. *Vedi 9 su come l'elettricità viene convertita usando il metodo della sostituzione.
La crescente elettrificazione dell'uso dell'energia significava che una quota maggiore di combustibili fossili (carbone e gas in particolare) produceva elettricità, e non per altri usi finali. Come mostrato sopra, nel 1900, meno del 2% della produzione mondiale di combustibili fossili era convertita in elettroni, ma entro il 2020, quasi il 40% lo sarebbe stato. I combustibili fossili stanno diventando meno competitivi con il solare, il vento e le batterie, i nuovi bambini del blocco energetico. Ora, un'altra transizione è ben avviata.
1.4 L'energia pulita è in aumento
Nonostante tutti i loro vizi e limiti, il carbone e il petrolio hanno alimentato il rapido progresso tecnologico e migliorato il tenore di vita di miliardi di persone. Ma l'era dell'uso di piante morte preistoriche per alimentare le nostre economie sta per finire. Guardiamo le transizioni energetiche attraverso la lente dei cicli di innovazione, ripensando a quanto sia difficile capire la crescita non lineare.
Le nuove tecnologie sostituiscono la quota di mercato degli incumbent prima lentamente, poi rapidamente. Questo è anche vero per le aziende dirompenti che prendono quote di mercato nelle industrie esistenti.
All'inizio della figura qui sopra, l'incumbent ha un'alta quota relativa di mercato e sembra mantenere bene la quota. Tuttavia, la nuova tecnologia è in aumento. Sta crescendo ad un tasso non lineare per prendere quote di mercato ogni anno dall'incumbent. Prima che l'incumbent possa reagire, il nuovo lo ha già superato nella quota di mercato.7
Questo è successo più e più volte nel corso della storia. I cavalli sono scomparsi dalle strade quando le auto ICE hanno preso il sopravvento; la quota offline dei dollari della pubblicità è stata sostituita dagli annunci online; Nokia non ha risposto all'ascesa degli smartphone; i taxi sono stati per lo più usurpati dal ridesharing. L'incumbent disruption si applica anche all'industria energetica e alle transizioni energetiche. Poche persone in vita hanno vissuto abbastanza a lungo per essere parte di una di esse, a differenza di molti degli esempi che ho appena dato.
Come si svolgono le transizioni
Nel grafico qui sotto, vediamo una visione generale di come si sono svolte le transizioni energetiche dal carbone al petrolio e all'elettrificazione. Ho incluso solo queste tre perché sono le fonti di energia (vettore energetico nel caso dell'elettricità) più importanti e dominanti a livello globale.8
Realizzato utilizzando i dati di Our World in Data, BP Statistical Review e Vaclav Smil. *Vedi 9 su come l'elettricità viene convertita usando il metodo della sostituzione.
La quota del carbone nel consumo globale di energia aveva già raggiunto il suo massimo intorno al 1910, quando la crescente adozione di veicoli ICE ha permesso al petrolio di iniziare rapidamente a mangiare la quota del carbone. Negli anni '70, il petrolio era la fonte di energia più importante, con un picco di oltre il 40% del consumo globale di energia durante le crisi petrolifere degli anni '70. L'uso del gas naturale è aumentato solo un po' dal 14% nel 1985 al 24% nel 2019, nonostante la produzione statunitense sia aumentata drasticamente dal 2005.
L'elettrificazione dell'energia ha avuto un ruolo crescente negli ultimi 120 anni. Circa il 40% dell'uso globale dell'energia è elettrificato, usando il metodo della sostituzione. Un'altra lente sull'aumento dell'elettricità è che oltre il 30% del carbone e del gas (soprattutto) viene convertito in elettricità a livello globale, perché questo è un uso molto produttivo di quei combustibili fossili oggi.
L'energia pulita è in aumento e in accelerazione
Negli ultimi 10 anni, il solare e l'eolico hanno guadagnato sul dominio del carbone nella generazione di elettricità. Hanno generato l'1% dell'elettricità globale nel 2007 e si stavano avvicinando al 10% nel 2020.
Realizzato utilizzando i dati della BP Statistical Review. Questa è l'elettricità e non tutta la generazione di energia, quindi esclude le fonti non elettrificate - petrolio per il trasporto, combustibili fossili per l'industria e il riscaldamento, ecc.
I combustibili fossili sono sempre meno competitivi rispetto al solare e all'eolico nella produzione di elettricità. Le nuove centrali solari ed eoliche sono più economiche da costruire rispetto alle centrali a carbone e a gas esistenti in quasi metà del mondo. Questo ha molto a che fare con il motivo per cui oltre l'80% della nuova capacità elettrica nel 2020 proveniva da fonti rinnovabili, e la stragrande maggioranza di queste proveniva dal solare e dall'eolico. È solo una questione di anni, non di decenni, prima che il mondo costruisca quasi esclusivamente centrali elettriche pulite a basse emissioni di carbonio. Presto, ci saranno più smantellamenti di centrali a carbone e gas che nuovi impianti solari ed eolici aggiunti.
Fatto usando i dati di IRENA.
Questa tendenza è chiaramente visibile nel grafico qui sopra. La quota di nuova capacità elettrica dal solare e dall'eolico ha superato il 75% nel 2020, essendo aumentata da meno del 6% circa nella metà degli anni 2000. In quel periodo, i combustibili fossili si sono ridotti dal contribuire a più dell'80% della nuova capacità a meno del 20%.
Questa è un'inversione notevole in venti anni.
Nonostante i rapidi progressi, il solare e l'eolico devono affrontare i dolori della crescita. Tornerò alle grandi sfide come l'intermittenza, cioè l'energia solo quando il sole splende o il vento soffia, e la mancanza e la lentezza della costruzione di più trasmissioni.
Chiaramente, la transizione dell'energia pulita sta mangiando la quota dei combustibili fossili e ad un ritmo crescente.
Una breve nota sulla diffusione delle centrali a fissione nucleare, che hanno avuto un boom negli anni '60 e '70. Gli incidenti di Three Mile Island, Chernobyl e Fukushima hanno spinto il sentimento antinucleare, nonostante l'energia da fissione fosse molto più sicura che bruciare combustibili fossili. Questo ha portato a ritardi normativi nell'approvazione delle centrali a fissione, con molti progetti che sono stati cancellati e hanno dovuto affrontare massicci superamenti dei costi.
Immergiamoci poi nel cuore della transizione dell'energia pulita per vedere come gli elettroni puliti (specialmente il solare) stanno crescendo così rapidamente, perché la maggior parte degli esperti e degli addetti ai lavori hanno sottovalutato la crescita e il loro ruolo fondamentale nella transizione dell'energia pulita.
RMI
2 Generazione: Solare ed eolico
Non abbiamo mai visto tecnologie energetiche come il solare e l'eolico.
Per la prima volta nella storia, possiamo costruire la generazione di energia. Una volta costruiti, gli impianti solari ed eolici costano molto poco per funzionare. In altre parole, sono fondamentalmente fonti di elettroni a costo marginale zero.
Il loro combustibile, la luce del sole o il vento, è gratuito e rinnovabile. Il solare in particolare è modulare e frazionabile, il che significa che un pannello può essere installato su un tetto o letteralmente milioni di pannelli in un sito.
Hanno anche guadagnato trazione velocemente, una velocità mai vista prima nella storia, come mostra il seguente grafico. Naturalmente, poiché la diffusione continua ad aumentare, il ritmo probabilmente rallenterà un po' nei prossimi anni.
Realizzato utilizzando i dati di Our World in Data, BP Statistical Review e Vaclav Smil.10 L'elettricità è un vettore di energia, non una fonte.
Il solare e l'eolico mostrano curve di apprendimento ripide e consistenti (note anche come curve di esperienza). Cioè, diventano più economici da costruire man mano che più unità vengono costruite e utilizzate. Questa caratteristica delle tecnologie a rapida scalabilità non si è mai applicata alle fonti di energia a combustibile fossile.
Queste energie pulite non mostrano segni di rallentamento. Il 2010 è stato uno dei migliori decenni del solare, come mostra il grafico qui sotto. La crescita è forte, le riduzioni dei costi drastiche, e l'industria sta innovando e imparando a ridurre ulteriormente i costi a velocità.
Realizzato utilizzando i dati del Our World in Data. Il tasso di apprendimento (learning rate) è il % di riduzione dei costi durante ogni raddoppio di capacità.
La capacità installata è cresciuta di oltre il 33% CAGR durante il decennio. Questo è un ritmo vertiginoso considerando che centinaia di milioni di moduli vengono prodotti ogni anno su questa scala. Anche la riduzione dei costi è stata forte, con un calo annuale del costo per watt di oltre il 16% durante gli anni 2010 contro il 12% degli ultimi 44 anni.
Infine, il tasso di apprendimento, che è il tasso di riduzione dei costi per ogni raddoppio della capacità, è stato anche molto meglio che nel periodo precedente. Il tasso di apprendimento a lungo termine del solare è di circa il 23,6% dal 1976, ma questo è salito a quasi il 35% negli anni 2010.
Come discuteremo, anche per gli addetti ai lavori più ottimisti questa crescita era inaspettata.
Ci sono cicli di feedback positivi dalla combinazione delle tecnologie, come abbiamo visto nelle transizioni passate. Stiamo iniziando a vedere più impianti solari accoppiati con lo stoccaggio agli ioni di litio, aiutando a risolvere molte delle limitazioni delle rinnovabili variabili. Queste due tecnologie sono reciprocamente vantaggiose e si aiutano a vicenda a guadagnare dai fattori di scala. Ci sono stati dei fenomeni analoghi nel passato: carbone, ferro e motore a vapore; petrolio, acciaio e motore a combustione interna; elettricità, alluminio e linee di trasmissione.
Diamo prima un'occhiata a come il solare in particolare è decollato per poi approfondire la discussione della transizione verso l'energia pulita.
2.1 Adozione solare: Lento, poi tutto in una volta
Se non diversamente specificato, le statistiche e i riferimenti in questa sezione sono tratti da How Solar Energy Became So Cheap di Greg Nemet. I moduli solari fotovoltaici (PV) hanno iniziato a risolvere problemi in piccole nicchie di mercato. Con l'aumento della produzione, i costi sono scesi e le prestazioni dei moduli hanno continuato a migliorare. Il solare ha continuato ad entrare in mercati più grandi, come il tetto e più tardi l'energia su scala industriale, che ha continuato a guidare una forte crescita.
Visualizzare 40 anni di crescita non lineare
Un punto importante da ribadire è quanto sia difficile cogliere le tendenze non lineari. Prendiamo il solare dal 1976. In media, la capacità distribuita dei moduli è cresciuta di quasi il 40% all'anno, mentre i costi sono scesi di oltre il 12% all'anno.11
Che aspetto ha questo fenomeno?
Realizzato utilizzando i dati di Our World in Data.
La crescita del solare è un'eccellente dimostrazione del ciclo di feedback positivo che abbiamo discusso per le tecnologie basate sulla manifattura di prodotti. Poiché i combustibili fossili non sono tecnologie di questo tipo, i costi non scendono costantemente per un lungo periodo di tempo. Gli impianti a carbone e a gas naturale mostrano tassi di apprendimento, ma il costo dei combustibili stessi è aumentato nel corso dei decenni perché le risorse facili da estrarre si sono esaurite, facendo salire i costi operativi.
Ora, se qualcuno avesse dato solo un'occhiata a questo grafico, avrebbe potuto supporre che la capacità del solare installato fosse fondamentalmente zero fino al 2000. Potrebbe anche pensare che i prezzi dei moduli solari sono stati vicini allo zero dai primi anni 2010.
Avrebbero torto su entrambi i fronti. La crescita composta e la riduzione dei costi guidano enormi cambiamenti di scala che sono difficili da leggere su assi lineari.
C'è un modo inizialmente più difficile da leggere, ma molto più utile per esprimere questi grandi cambiamenti, come mostrato in questo grafico. Usa assi logaritmici, rendi l'asse x di capacità cumulativa e segna il tempo sulla serie di dati stessa.
Adattato da Our World in Data. Ogni linea verticale segna un aumento di dieci volte della capacità installata.
Come possiamo vedere, la crescita del solare e le riduzioni dei costi sono state molto consistenti nel corso di diversi decenni, con alcuni sbalzi (della durata di qualche anno) lungo la strada. Gli ultimi dieci anni hanno visto la più grande riduzione relativa dei costi di sempre. Come discuteremo più avanti, non sembra che la crescita del solare stia rallentando.
Una breve storia della crescita del solare
Nel 1954, i Bell Labs svilupparono le prime celle solari al silicio. Alla fine degli anni '50, i primi moduli solari fotovoltaici erano usati per alimentare i trasmettitori radio sui satelliti della marina statunitense.
Durante gli anni '60, il governo degli Stati Uniti ha acquistato 150 milioni di dollari per 10 milioni di celle solari, così come vetro e componenti solari fotovoltaici. Avrebbero anche investito nella R&S solare durante gli anni 70 come risposta alle crisi petrolifere.12 Questo ha contribuito a far scendere i costi del solare di ben 5 volte dal 1974 al 1981, nonostante fosse ancora un piccolo mercato nascente con vendite dell'industria statunitense di soli 100 milioni di dollari nel 1982.
Negli anni '70 e '80, aziende giapponesi come la Sharp hanno continuato a trovare mercati più di nicchia per il solare, come i fari e l'elettronica di consumo - ricordate le calcolatrici a energia solare? Hanno superato i produttori statunitensi all'inizio degli anni '80, ma hanno ristagnato negli anni '90, quando non c'erano mercati più grandi in cui vendere.
Nel frattempo la California si stava preparando a giocare un ruolo di catalizzatore nello sviluppo del solare e dell'eolico. C'era una nuova legislazione sull'energia pulita appena introdotta e le aspettative di continui aumenti dei prezzi del petrolio dopo la crisi energetica del 1979. Ciò ha permesso di finanziare e costruire circa un miliardo di dollari di progetti eolici e solari termici prima che i prezzi del petrolio tornassero indietro.
Negli anni '90 e 2000, la Germania sarebbe cresciuta fino a diventare di gran lunga il più grande mercato per il solare fotovoltaico dell'epoca. La politica ha giocato un ruolo enorme, sovvenzionando più di 200 miliardi di euro di solare sui tetti e rappresentando più della metà delle installazioni globali di fotovoltaico dal 2004 al 2010. I produttori tedeschi come Q-Cells si sono ingranditi per servire il mercato, ma dalla metà degli anni 2000, le startup cinesi stavano rapidamente prendendo la quota di mercato.
Nei primi anni 2000, le startup solari emergenti della Cina hanno lavorato più velocemente e hanno beneficiato della tempistica per espandersi nel mercato tedesco. La cosa più importante è che si concentravano incessantemente sulla qualità e sul basso costo, cosa che i loro concorrenti tedeschi non facevano. I produttori tedeschi hanno anche dovuto sviluppare più attrezzature di produzione su misura (spesso adattate dall'industria dei semiconduttori). Ma quando poi sono stati acquistati dalle aziende cinesi, le attrezzature erano diventate più standardizzate e costavano meno.
I cinesi sono più bravi di chiunque altro a costruire [il solare fotovoltaico]. Gli Stati Uniti, il Giappone e la Germania non sono stati semplicemente abbastanza veloci da riconoscere l'opportunità del mercato, e tanto meno da soddisfarla... [Le aziende cinesi stavano] assumendo rapidamente, producendo rapidamente e migliorando rapidamente. - Prof. Greg Nemet, Come l'energia solare è diventata economica, pag. 135
Dal 2000 al 2007, nei primi 7 anni di lancio di alcune delle prime startup, sono stati installati più impianti solari fotovoltaici a livello globale da aziende cinesi che da qualsiasi altro paese. Hanno raccolto 7 miliardi di dollari in IPO tra il 2005 e il 2007. A partire dal 2009, il governo cinese è diventato molto favorevole all'industria, dando decine di miliardi in crediti d'imposta ai produttori solari per accelerare lo scale-up.
Altre regioni con abbondante luce solare hanno iniziato a offrire incentivi politici. L'Australia e la California hanno offerto tariffe di scambio favorevoli introdotte alla fine degli anni 2000, contribuendo ad accelerare l'adozione globale.
Nel 2008, una carenza e un'impennata dei prezzi del silicio, il materiale principale per i PV, ha mandato in bancarotta molti produttori solari. Ha anche motivato la costruzione di nuova capacità nella catena di approvvigionamento solare che ha poi contribuito ad alimentare il boom del 2010.
Dal 2005, la capacità di installazione globale è cresciuta ad un vertiginoso 44% CAGR. Oltre il 60% dei moduli solari sono prodotti in Cina, un punto che i politici e i produttori negli Stati Uniti e nell'UE stanno cercando di cambiare.
2.2 Il calo dei costi ha aperto mercati più grandi
L'elettricità da energia solare ed eolica è oggi molto economica.
Il costo durante la vita di un bene che genera elettricità è calcolato con il costo livellato dell'elettricità o LCOE. Ricordate che all'inizio del post ho parlato di punti di ribaltamento per il costo dell'elettricità dal solare e dall'eolico.
Possiamo mostrare questo nuovo punto di svolta nel grafico qui sotto. Il LCOE dei nuovi progetti è più economico del gas naturale di nuova costruzione, ed è competitivo con le centrali a gas esistenti negli Stati Uniti. Queste energie pulite sono state più economiche delle nuove centrali a gas per anni - un punto di svolta precedente.
Sulla base dei dati Lazard per gli LCOE statunitensi.13
Nel grafico sopra, gli LCOE solari ed eolici non sono sovvenzionati. Sono ancora più competitivi con gli impianti a gas esistenti quando si tiene conto degli attuali incentivi statunitensi. Con gli incentivi, il solare è di cinque centesimi per chilowattora più economico nel 2021, a 0,023 dollari/kWh. L'eolico è incredibilmente economico, scendendo di quindici centesimi per kWh a 0,009 dollari/kWh.
I LCOE dei nuovi impianti solari e/o eolici sono competitivi con, o addirittura più economici di quelli di impianti a carbone o a gas esistenti in molti altri paesi. Per esempio, l'Australia, la maggior parte dell'Europa occidentale, la Cina, l'India e altri. L'impianto a combustibile fossile più economico dipende dal luogo, e può essere sia a carbone che a gas.
Il raggiungimento di questo punto critico di costo ha iniziato a scoraggiare pesantemente la costruzione di nuove centrali a carbone o a gas. Nel 2020, a livello globale, l'82% della nuova capacità elettrica proveniva da fonti rinnovabili.
Negli Stati Uniti, nessuna centrale a carbone è stata aggiunta dal 2014, come mostra il grafico qui sotto. Gli impianti a gas hanno aggiunto solo il 10% della nuova capacità elettrica nei primi tre trimestri del 2021, rispetto al 57% di soli tre anni fa.
Dati della SEIA. Tendenza simile al grafico delle nuove aggiunte globali nella sezione 1.4.
Le curve di apprendimento per il solare e l'eolico sono globali, così che un maggior numero di installazioni nei primi paesi adottanti aiuta a ridurre i costi per gli altri. Questa è una grande notizia anche per i paesi in via di sviluppo: anche lì, la crescita del solare sta accelerando.
L'India ha aumentato la sua capacità solare di 600 volte tra il 2010 e il 2020, e attualmente ha davanti solo la Cina, gli Stati Uniti e il Giappone nella capacità totale installata. Il Vietnam ha aggiunto più capacità solare nel 2020 di tutti i paesi tranne gli Stati Uniti e la Cina, poiché le banche straniere evitano il carbone (come hanno fatto in molti paesi).
2.3 La crescita del solare continua ad essere sottovalutata
Il solare fotovoltaico ha sostenuto alti tassi di apprendimento. Dal 1976, ogni raddoppio della capacità solare ha portato a una riduzione del 20% del costo, guidando una caduta dei prezzi di 300x con una capacità scalata di 2 milioni di volte.
Questo è un esempio della legge di Wright che descrive un calo costante dei costi per ogni raddoppio della produzione. È stata osservata per la produzione di tutto, dagli aeroplani, alla Ford Model T, alla RAM dei semiconduttori e alle batterie agli ioni di litio. La legge di Wright potrebbe anche essere più adatta per prevedere la produzione di semiconduttori rispetto alla legge di Moore. (n.d.t. che descrive il numero di componenti in un microprocessore in funzione del tempo)
Quasi nessuno è stato abbastanza ottimista sulla velocità di crescita del solare e sulla riduzione dei costi. Questo nonostante la legge di Wright abbia tenuto bene per il solare per più di quattro decenni.
Un team di Oxford ha recentemente analizzato le previsioni storiche per il solare fotovoltaico, l'eolico e altre tecnologie di transizione energetica. Non sorprende che i modelli abbiano costantemente sottostimato la crescita del solare e la velocità delle continue riduzioni dei costi. Nel loro documento di lavoro, hanno scritto:
"Tali modelli hanno costantemente fallito nel produrre risultati in linea con le tendenze del passato".
Hanno concluso, non sorprendentemente dato il tasso di apprendimento piuttosto consistente del solare, che:
"Al contrario, le previsioni basate sull'estrapolazione delle tendenze hanno costantemente ottenuto risultati molto migliori".
E le previsioni dei fondatori del settore, degli addetti ai lavori e degli esperti?
Gregory Nemet, autore di How Solar Energy Became Cheap, voleva capirlo. Tra il 2008 e il 2011, ha chiesto a 65 pionieri del business solare, politici e accademici di prevedere il costo del solare nel 2030.
Nel 2018, la realtà aveva già superato le previsioni degli esperti con dodici anni di anticipo. Il costo dell'elettricità a energia solare era già inferiore alle previsioni mediane per il 2030. Ricordate, questi non erano opinionisti, ma persone che avevano costruito l'industria.
L'AIE, il principale ente energetico mondiale, e i principali esperti di energia hanno costantemente sottovalutato la crescita del solare negli ultimi 20 anni. Quello che è successo al costo del solare negli ultimi 10 anni è arrivato più di un decennio prima delle previsioni degli esperti.
Perché i modelli e gli esperti si sono sbagliati così tanto?
In breve, penso che il solare si sia espanso in mercati più grandi più velocemente di quanto chiunque pensasse possibile. Accanto a questo, ha continuato a guidare la riduzione dei costi nel processo, accelerando anche nell'ultimo decennio.
I modelli hanno sottovalutato questo ciclo di feedback nell'ascesa (ancora) precoce del solare e nell'espansione in mercati più grandi.
Come il team di Oxford ha discusso, le previsioni hanno usato limiti arbitrari ai tassi di crescita non coerenti con i modelli storici, e altrettanto arbitrari "costi di base" che sono stati inseriti nei modelli.
I tassi di apprendimento per il solare sono stati più veloci dal 2010 che nei decenni precedenti. Come discusso in precedenza, i tassi di apprendimento nell'ultimo decennio sono stati quasi del 35%, al di sopra della media a lungo termine del 24% dal 1976.
Ci sono diverse ragioni per cui il LCOE del solare è sceso ancora più velocemente della media storica. La tecnologia del solare fotovoltaico continua a migliorare man mano che la produzione aumenta.
Un gruppo che chiaramente non ha dato retta alle previsioni di crescita lenta sono stati i produttori di energia solare. Essi beneficiano sempre più delle economie di scala e della standardizzazione nella produzione. I progetti solari sono sempre più costruiti su scala di servizio, che ora sono fino a più gigawatt di dimensioni. Questo ha permesso di ridurre ancora di più i costi csempre più bassi per i progetti solari su scala industriale. Infine, i pannelli solari stanno diventando più durevoli con garanzie più lunghe offerte nel tempo, con un grande produttore che ora offre 40 anni di garanzia!
2.4 Intermittenza
L'intermittenza è il problema del sole che non sempre splende e del vento che non sempre soffia.
Dato che è stato aggiunto più solare nelle reti elettriche, come il CAISO della California e l'Australia del Sud, ci possono essere giorni di sole con troppo solare per la rete da gestire (il fenomeno della curva dell'anatra). Nelle reti con un'alta penetrazione solare come le due citate, si crea la necessità di risolvere l'intermittenza giornaliera.
C'è anche il problema dell'intermittenza di più lunga durata, che può essere di diversi giorni, o degli squilibri stagionali. In una zona dove un inverno è particolarmente nuvoloso, la capacità solare può diminuire della metà o più in un mese rispetto alla media annuale.
Le soluzioni sono però a portata di mano. Per le durate più brevi, i grandi progetti di stoccaggio agli ioni di litio forniscono fino a quattro ore di stoccaggio praticabile per le energie rinnovabili con l'attuale economia dell'unità. Stanno iniziando ad apparire progetti di stoccaggio di otto ore. La prima implementazione su scala di rete è stata fatta da Tesla in Sud Australia nel 2017, con lo stato che non ha subito un blackout né ha avuto bisogno di "liberarsi" di energia pulita da allora.
Stoccaggio di quattro ore abbinato al solare a Kuai'i, Hawaii, 2017.
Lo stoccaggio accoppiato al solare può aggiungere più valore alle reti ad alto contenuto di rinnovabili rispetto allo stoccaggio da solo, specialmente durante le ore di punta serali. Inoltre, dato che i prezzi delle batterie continuano a scendere, sarà possibile uno stoccaggio di durata maggiore, forse 12 ore. Parleremo di più delle batterie e del mercato dello stoccaggio nella prossima sezione.
Lo stoccaggio di più lunga durata ha molte soluzioni di energia pulita come l'idroelettrico a pompaggio, immagazzinamento meccanico e varie soluzioni elettrochimiche come le batterie ferro-aria. Non mancano i finanziamenti per queste tecnologie emergenti. È ancora troppo presto per dire quali tecnologie beneficieranno di più dei fattori di scala, ma probabilmente quelle che usano materiali a basso costo e hanno alti tassi di apprendimento.
Infine, la rete potrebbe non aver bisogno di così tanto stoccaggio come si pensa, anche se certamente ne avremo molto bisogno.
Un recente articolo pubblicato su Nature modella che se il solare e il vento forniscono 1,5x di tutta la capacità elettrica, solo 3 ore di stoccaggio di batterie accoppiate funzionerebbero bene. Ne risulterebbe una carenza di elettricità per meno di 200 ore all'anno. Probabilmente anche meno carenze sarebbero venute fuori dai modelli modellate se le batterie distribuite (diciamo nei veicoli elettrici) fossero state incluse nell'analisi.
2.5 Aggiornamenti della trasmissione
Trasmettere energia pulita su scala industriale da aree solari o ricche di vento richiede la costruzione di più linee di trasmissione ad alta tensione. Queste linee sono spesso costose, e si impantanano nella burocrazia dei permessi che può richiedere 10 anni per l'approvazione e lo spiegamento.
Naturalmente, abbiamo bisogno di linee di trasmissione solo nei casi in cui gli elettroni puliti sono generati lontano da dove vengono utilizzati, come i centri urbani e gli hub di produzione.
Per muoversi più velocemente e avere accesso a elettroni economici e puliti direttamente, le industrie affamate di elettricità si stanno sempre più collocando accanto agli impianti solari ed eolici. In questo modo, gli sviluppatori di energie rinnovabili evitano di pagare le tasse di interconnessione, mentre le nuove industrie alimentate da elettroni ultra-economici possono ottenere l’elettricità più economica possibile senza un'azienda che faccia da intermediario. Parleremo di questo più tardi.
L'altro lato di questo è naturalmente l'installazione di progetti solari su piccola scala in aree dove l'energia è già utilizzata. Il solare sui tetti, le microreti e lo stoccaggio di energia per le case e l'industria sono in crescita. Queste risorse energetiche distribuite (DERs in gergo energetico) possono mantenere le luci accese durante eventi meteorologici estremi, anche se tutte le linee elettriche di una città vengono meno.
In molti scenari, è necessario costruire più trasmissione. Per permettere un maggior numero di impianti solari ed eolici su scala industriale, sono necessarie riforme e aggiornamenti delle infrastrutture. Questo spazio ha visto un'attività promettente da parte dei regolatori statunitensi di recente e disegni di legge che permettono di costruire più velocemente le linee di trasmissione lungo le strade e le ferrovie. Ci sono anche startup che lavorano per aumentare la capacità delle linee esistenti e ottimizzarle.
In realtà, la maggior parte dei paesi sta scalando sia l'energia pulita distribuita che quella su scala industriale, dato che entrambi i tipi offrono valore oltre ad essere a bassa emissione di carbonio.
2.6 È probabile una forte crescita in futuro
L'energia solare ed eolica sono probabilmente ancora in una fase iniziale della loro adozione e continueranno a vedere una forte crescita. I seguenti punti rendono l'idea.
Il solare e l'eolico continuano a far scendere i costi con l'aumento della diffusione
Il costo dell'elettricità a energia solare è diminuito del 35% per raddoppio industriale nell'ultimo decennio. Il tasso di apprendimento attuale è più veloce del 24% del 1976, ma ha senso data la rapida crescita e la concorrenza dei produttori cinesi dalla metà degli anni 2000 discussa in precedenza.
Nessun vincolo di costo fisico per almeno il prossimo decennio
C'è abbondanza di terra e di materiali come il silicio per aumentare la produzione del solare fotovoltaico. I pannelli più nuovi sono costruiti per durare più a lungo. Le tecnologie del solare fotovoltaico stanno ancora maturando, con spazio per ridurre ulteriormente i costi. Gli esempi includono una produzione sempre più standardizzata, materiali migliori che migliorano l'efficienza delle celle e design come il bifacciale o il doppio strato con efficienze più elevate, e anche l'ancoraggio dei pannelli direttamente al suolo per risparmiare sui costi di sistema e di manodopera.
Guardando all'ultimo decennio, il CAGR dell'elettricità generata dal solare è stato quasi del 40%, che ha superato la crescita delle aggiunte annuali di capacità di poco più del 33%.14 Questo probabilmente è stato aiutato dal miglioramento del fattore di capacità solare da un numero crescente di progetti utility-scale che utilizzano inseguitori solari, così come celle solari più efficienti e processi di produzione altrimenti migliorati.
Il solare e l'eolico superano i combustibili fossili in molti luoghi
I nuovi progetti solari o eolici su scala industriale sono già più economici che gestire le centrali a carbone e a gas naturale esistenti nei paesi che costituiscono il 46% della popolazione mondiale. Come mostrato nel grafico qui sotto, il solare è più economico per la Cina, l'India e la maggior parte dell'Europa occidentale; l'eolico in Danimarca, Brasile, Regno Unito, Marocco e altri. Negli Stati Uniti, il 61% delle centrali a carbone esistenti sono più costose delle rinnovabili. Il solare e l'eolico sono competitivi con le centrali a gas naturale esistenti.
Fonte. Questa mappa mostra la tecnologia con il più basso costo livellato dell'energia (costo dell'elettricità spalmato sulla durata del bene) per i nuovi impianti solari ed eolici rispetto ai costi marginali (operativi e di combustibile) per le centrali esistenti a carbone e a gas.
Come accennato prima, l'82% della nuova generazione di elettricità a livello globale è stata prodotta da fonti rinnovabili nel 2020. Il carbone è in declino quasi terminale, con impianti proposti che vengono cancellati a un ritmo storico. L'uso del gas naturale per tutti gli usi, compresi elettricità, carburante e calore, potrebbe aver raggiunto il picco negli Stati Uniti nel 2019. Il declino del gas per la produzione di elettricità sarà probabilmente accelerato dal picco globale dei prezzi alla fine del 2021. Man mano che il solare e l'eolico diventano la fonte più economica di elettroni in un numero sempre maggiore di paesi, aspettatevi una quantità crescente di attrezzature per i fossili esistenti non recuperabili.
Il caso di chiudere e sostituire le centrali fossili esistenti diventa ogni anno più convincente.
Il solare distribuito e l'eolico offshore riducono la necessità di linee di trasmissione
Come menzionato in 2.4, i miglioramenti della trasmissione sono costosi e richiedono molti anni anche per approvare nuovi impianti solari su scala industriale.
Il solare distribuito può integrare le energie rinnovabili su scala industriale. I tipi includono tetti residenziali, commerciali e industriali, microgrids e installazioni solari fuori sede.
Il solare distribuito, le batterie e altre risorse possono effettivamente ridurre i costi dell'elettricità della rete e persino permettere la costruzione di più fonti rinnovabili su scala industriale.
I FV solari, per progettazione, sono abbastanza piccoli e modulari da essere distribuiti vicino o dove viene utilizzato. Il solare su tetto ha avuto un boom nei paesi dove le risorse solari sono grandi, i costi del sistema sono economici, le politiche di misurazione netta significano un alto ROI, e i processi di autorizzazione sono veloci. Per esempio, il 30% delle case australiane ha già installato il solare sul tetto, ed entro il 2025, il solare fornirà tutti gli elettroni necessari, perlomeno in certi momenti.15
Gli Stati Uniti sono un paese in cui il solare su tetto è inutilmente costoso. Una combinazione di costi di autorizzazione e di burocrazia a livello cittadino, di restrizioni di codici arcani e di costi di acquisizione dei clienti molto alti hanno reso il solare su tetto negli Stati Uniti molto meno accessibile. Il che significa, ovviamente, meno adozione. Al contrario, l'Australia ha snellito i permessi, semplificato i codici e abbassato i costi di acquisizione dei clienti e di installazione del lavoro. Il risultato? Il solare su tetto è quasi tre volte più costoso negli Stati Uniti. Gli Stati Uniti sembrano solo ora decidersi a fare passi avanti per ridurre i costi e l'attrito, con l'iniziativa pubblica/privata SolarAPP per automatizzare i permessi, e la California che sta cercando di approvare la propria legge per costruire su SolarAPP.
Ci sono più tetti che vengono aggiunti solo per permettere più elettroni generati dal sole. Le stazioni di ricarica EV stanno iniziando ad aggiungere carport coperti con tetti fotovoltaici e batterie fisse. Questo rende i siti di ricarica dei veicoli elettrici più economici, consentendo alle aziende di evitare gli oneri di domanda, che possono costituire la metà della bolletta di un'azienda ad alta intensità energetica. Permette anche ai ristoranti e ad altri spazi commerciali di adottare microreti, risparmiando sui costi dell'elettricità e avendo energia di riserva durante le interruzioni.
Fonte. Le aziende vedono sempre di più un miglioramento economico e i clienti ottengono la ricarica dei veicoli elettrici integrando l'energia solare e lo stoccaggio nei loro locali esistenti.
Il solare comunitario è un altro tipo promettente di energia distribuita. Copre un ampio ombrello di installazioni solari che permettono ai benefici finanziari di essere distribuiti tra molte persone. Questi progetti potrebbero permettere a due terzi degli americani e a miliardi di persone nel mondo che non possono installare il solare sul tetto di accedere all'energia pulita locale. Un enorme vantaggio è che il solare comunitario di solito non richiede aggiornamenti della trasmissione. La capacità solare della comunità statunitense è cresciuta al 130% CAGR durante il 2010-2020, superando di gran lunga anche l'aumento stellare generale del solare.
Le turbine eoliche offshore possono anche aiutare ad alleviare le sfide di trasmissione, essendo situate vicino ai centri di popolazione costiera affamati di energia. La capacità dei parchi eolici offshore globali è aumentata di 11 volte dal 2010-2020 (27% CAGR). Una crescita ancora maggiore è in vista, con nove volte la quantità di capacità attuale in cantiere, come mostrato qui sotto. Le velocità del vento in mare sono più alte, più costanti e spesso raggiungono il picco quando è più necessario,
durante il pomeriggio e la sera.
Dati da Energy Monitor. Include i dieci paesi con la maggiore capacità pianificata. Classificati dal più pianificato al meno: Regno Unito, Brasile, Cina, Giappone, Stati Uniti, Irlanda, Corea del Sud, Taiwan, Svezia, Germania.
L'energia eolica continuerà a diventare più economica. I costi dell'elettricità dall'eolico offshore a livello globale sono diminuiti di quasi la metà in 10 anni, con un calo del 9% solo nel 2020 e i risultati delle aste suggeriscono un'altra diminuzione del 40% entro il 2023. Negli Stati Uniti, le code di progetti eolici offshore in piena espansione sono molto promettenti, ma richiedono alcuni problemi di trasmissione da risolvere. Infine, le risorse eoliche offshore sono particolarmente abbondanti vicino ai poli terrestri, il che le rende molto complementari all'energia solare che favorisce l'equatore.
Per non essere da meno, le turbine eoliche onshore a fine vita possono essere ripotenziate. Questo significa che gran parte della struttura può essere riutilizzata e nuove turbine possono essere installate, risparmiando sui costi ed eliminando lunghi ritardi e costi di interconnessione. Questo è già successo in Danimarca, per esempio.
Si continueranno a trovare nuovi usi per il solare fotovoltaico. Tendiamo a pensare che il solare fotovoltaico sarà usato solo per produrre elettricità. Ma è probabile che vedremo altri nuovi usi e integrazioni man mano che il solare continuerà a diventare più economico.
Un esempio è il crescente slancio per i sistemi fotovoltaici integrati negli edifici (BIPV). Questi sistemi possono sostituire le facciate esistenti, come per l'edificio svizzero nella foto qui sotto, o sostituire le tegole/tegole del tetto (si pensi al tetto solare di Tesla).
Questa facciata solare copre più di 1142 m2 dell'edificio. Poiché la superficie è verticale, produce più energia in inverno.
Un altro esempio è il solare fotovoltaico che può produrre acqua. Source Global distribuisce "idropannelli" che producono acqua potabile pulita usando il fotovoltaico solare per condensare il vapore acqueo. Viene usato per comunità remote e per la conservazione dell'acqua in aree colpite dalla siccità come la Central Valley della California.
Il sistema solare ad acqua della Source Global produce acqua potabile dalla luce del sole e dal vapore acqueo, anche nei climi aridi.
2.7 E la fissione e la fusione nucleare?
L'energia nucleare ha un potenziale enorme, e la promessa di un'abbondante potenza di fusione vale la pena di accelerare la ricerca e lo sviluppo.
Ci sono molte chiacchiere tra alcuni ingegneri della Silicon Valley e Twitterati sulla promessa dell'energia nucleare, con cui sono in parte d'accordo. Eppure, come la maggior parte degli altri, hanno ampiamente sottovalutato la crescita del solare e dell'eolico e alcuni lo hanno riconosciuto più di recente.
Circa il 10% dell'elettricità mondiale è generata da grandi impianti a fissione nucleare (su scala di gigawatt). Sembra molto, ma è sceso da un massimo di oltre il 17% a metà degli anni '90, soprattutto a causa delle crescenti preoccupazioni per la sicurezza pubblica su fusioni come Fukushima, Chernobyl e Three Mile Island. I costi e le cancellazioni hanno reso i grandi impianti nucleari non competitivi con l'energia solare o eolica.
Nonostante questi incidenti, l'attuale generazione di energia nucleare è molto sicura. Infatti lo è cento volte di più dei combustibili fossili. I piccoli reattori modulari (SMR) e i progetti della prossima generazione saranno probabilmente ancora più sicuri. Tuttavia, queste tecnologie emergenti affrontano ancora lunghi ritardi nei progetti e preoccupazioni sui costi per gli acquirenti, specialmente nei paesi sviluppati. Altri paesi mostrano qualche promessa in più, con NuScale, un'azienda leader di SMR, che ha in programma di costruire un impianto SMR in Romania entro la fine del 2020.
Concetto del design del micro-reattore di Oklo.
Una strategia promettente può essere quella di ritagliarsi una nicchia interessante, evitando di competere sul prezzo con le energie rinnovabili a basso costo. Micro-reattori come Oklo si rivolgono a comunità remote che si affidano al diesel, mentre NDB sta sviluppando piccole batterie alimentate da scorie nucleari per l'elettronica di consumo che non hanno mai bisogno di essere ricaricate.
Per quanto riguarda la fusione, più ricerca e sviluppo è una cosa ovvia. Piuttosto che usare una minuscola frazione della luce solare emessa dalla continua reazione di fusione del sole, dovremmo costruire i nostri sicuri reattori a fusione mini-stellare. Un passo fondamentale per il progresso della fusione è un impianto dimostrativo che produca più energia di quanta ne usi. Mentre decine di aziende ben finanziate e consorzi pubblici risolvono i primi ostacoli tecnici, il progresso è stato promettente.
Ma, nonostante i progressi della R&S, la tecnologia è ancora probabilmente lontana almeno due decenni dalla commercializzazione. Per allora, come abbiamo dimostrato, è probabile che il solare, l'eolico e le batterie saranno così economici da rendere molto difficile per i primi progetti commerciali di fusione essere competitivi nei costi per la generazione di elettroni. Un possibile percorso per la fusione negli anni 2040 o 2050 sarebbe anche quello di scalare in mercati di nicchia, forse dove il calore può essere direttamente sfruttato.
È inevitabile che la fusione, la fissione next-gen e/o altre tecnologie di energia pulita sostituiranno in gran parte il solare, il vento e le batterie un giorno. Questa è la natura delle transizioni energetiche, come abbiamo visto.
Batterie Tesla 4680, stoccaggio stazionario CATL.
Opportunità: Materiali emergenti
Sarebbe molto sorprendente se non ci fossero nuovi materiali commercializzati derivanti dalla transizione dell'energia pulita.
Come discusso nella sezione Transizioni passate, ogni transizione energetica ha giocato un ruolo cruciale nello sbloccare nuovi materiali. Ogni transizione è come entrare in un'altra stanza con una porta chiusa. Sai che la stanza in cui stai entrando avrà un aspetto e sarà molto diversa e, per molti versi, migliore. Solo che non sai esattamente cosa cambierà.
Ogni transizione ha permesso massicci miglioramenti a materiali esistenti (ferro battuto e più tardi acciaio fatto usando il carbone), ha creato materiali completamente nuovi (polimeri da prodotti petrolchimici raffinati dal petrolio) e/o ha reso la produzione a basso costo fattibile su scala (alluminio usando l'elettricità).
Penso che il grafene e altri materiali 2D siano forti candidati per i materiali emergenti. Torneremo sul caso del grafene e sulle applicazioni attuali e potenziali. Ma per presentare prima un caso per analogia, guardiamo brevemente l'aumento dell'elettricità a basso costo che ha aiutato la produzione di alluminio ad aumentare. Avere un punto di riferimento dovrebbe aiutare a mettere i materiali emergenti in prospettiva.
6.1 L'elettricità a basso costo ha permesso all'alluminio di aumentare la scala della produzione.
L'alluminio è stato isolato per la prima volta solo negli anni 1820, poiché in natura si trova solo come ossido molto stabile (legato all'ossigeno).
Prima dell'elettrolisi, il metallo era molto costoso da produrre su qualsiasi scala dall'ossido di alluminio. Nel 1852, la produzione costava 545 dollari per libbra, o 1200 dollari per kg. Questo era quasi il doppio di quanto costava l'oro all'epoca.
Nonostante questo ha attirato un sacco di pubblicità. Charles Dickens, Jules Verne e altri immaginarono usi futuri. Dopo molta ricerca e sviluppo da parte di molti chimici e armeggiatori, nonché finanziamenti, anche da parte di Napoleone III, un nuovo processo ridusse il prezzo a 8 dollari per libbra o 17,6 dollari/kg nel 1885. Questo rese il prezzo paragonabile all'argento. Da allora tutto si accelerò.
La scoperta del processo Hall-Heroult solo un anno dopo permise la fabbricazione elettrochimica dell'alluminio. Nei primi anni 1890, la commercializzazione del processo aveva reso l'alluminio ancora più economico. Era 2 dollari per libbra (4,4 dollari/kg) nel 1890 e solo 0,5 dollari per libbra (1,1 dollari/kg) nel 1894.
In quarant'anni, il costo dell'alluminio era sceso di tre ordini di grandezza.26
È importante notare che i processi non elettrolitici avevano prodotto alluminio di purezza superiore fino ad allora. Ma entro 5 anni dai brevetti di Hall e Heroult, l'elettrolisi li superò anche in purezza. L'impianto Alcoa di Niagara Falls aprì nel 1895 sfruttando elettroni a basso costo dalla più grande centrale idroelettrica dell'epoca. Molti altri impianti di alluminio che usavano l'elettrolisi iniziarono la produzione intorno a quell'anno.
Spinta dal calo dei costi, la produzione globale è salita alle stelle di oltre 34 volte durante gli anni 1890 - da 175 tonnellate nel 1890 a oltre 6000 tonnellate nel 1899. Il calo dei costi con l'aumento della produzione è simile a quello che abbiamo discusso per il solare e l'eolico, ma in questo caso per un materiale, come illustrato qui.
I fratelli Wright usarono un motore in lega di alluminio/rame nel loro primo volo nel 1903, in un periodo in cui erano disponibili fogli di alluminio e pentole. I telai per gli aerei della prima guerra mondiale contribuirono a guidare la domanda, e più tardi i treni merci negli anni '30 e le fusoliere degli aerei dalla seconda guerra mondiale in poi furono fatti di questo metallo leggero ma resistente.
Oggi, un driver chiave per la produzione di alluminio è ancora il costo dell'elettricità, proprio come per il crypto mining e altre industrie affamate di elettroni. Alcoa ha chiuso le fabbriche negli Stati Uniti e le ha aperte vicino a fonti di elettroni attualmente a buon mercato come l'energia idroelettrica in Islanda, Canada e Norvegia.
Ciò che è chiaro dalla prima storia dell'alluminio è che il calo dei prezzi e i processi scalabili hanno permesso una rapida adozione da parte di più mercati. Inoltre, il clamore negli anni 1850 ha preceduto l'effettivo adattamento del prodotto al mercato a partire dagli anni 1890.
Il basso costo e la produzione scalabile sono stati vitali per la crescita del solare fotovoltaico e della tecnologia delle batterie agli ioni di litio. Ho delineato sopra perché penso che sarà altrettanto importante per l'utilizzo della CO2.
Credo che questo sarà vero anche per materiali promettenti come il grafene.
6.2 Grafene: potenziale in molti mercati
C'è mai stato un premio Nobel vinto con uno strumento più semplice del nastro adesivo?
Questo umile nastro è quello che i pionieri del grafene, Andre Geim e Konstantin Novoselov, hanno usato nel 2004 per isolarlo per la prima volta staccando dei fiocchi da un pezzo di grafite. Avrebbero vinto il premio Nobel per la fisica solo sei anni dopo.27
Premio Nobel per la fisica 2010
Il grafene è un singolo strato di grafite, la forma più stabile di carbonio puro presente in natura. Quando viene arrotolato, un foglio diventa un nanotubo di carbonio. Meno di 20 anni fa, i ricercatori pensavano che i materiali a singolo strato non potessero nemmeno esistere. Ora, grazie a una serie di proprietà utili, il grafene potrebbe essere sulla buona strada per essere utilizzato in molte cose.
Il grafene monostrato è estremamente sottile, 0,33 nanometri. Cioè, più di due milioni di strati potrebbero entrare in una carta di credito standard di 0,76 mm di spessore. All'interno di quello strato su scala nanometrica, gli atomi di carbonio sono disposti nel reticolo piatto a nido d'ape mostrato sopra.
Proprietà utili
Il potenziale del grafene inizia con le sue proprietà, anche se vale la pena notare che queste proprietà sono i limiti teorici. Come vedremo di seguito, sta trovando alcuni usi in mercati di nicchia, ma le proprietà non sono generalmente così eccezionali negli usi del mondo reale.
Libbra per libbra, è più duro del diamante, ma più elastico della gomma. È 100 volte più forte dell'acciaio ma più leggero (cioè meno denso) dell'alluminio. Un'ipotetica amaca di grafene di un metro quadrato potrebbe sostenere circa 4 kg di peso, abbastanza per farci dormire un gatto.
È il miglior conduttore di calore a temperatura ambiente - due volte quello dei diamanti - e tra i migliori conduttori elettrici, superando tutti i metalli. Il grafene ha anche un rapporto superficie/peso molto alto, dato che sono necessari solo 6 grammi per coprire un campo da calcio. Infine, la sua forma pura è impermeabile - non lascia passare nulla, nemmeno i piccoli atomi di elio.
Trazione in una gamma di casi d'uso
Date queste proprietà, il grafene si trova già in una vasta gamma di prodotti commerciali, anche se per ora è contenuto per lo più in piccoli mercati di nicchia.
Batterie Lyten al litio-zolfo con grafene nell'anodo ➡️ Racchette Head con grafene ⬇️ Concretene cemento arricchito di grafene ⬅️ turbine eoliche offshore rivestite di grafene.
Nell'immagazzinamento dell'energia, la capacità del grafene di dissipare il calore è stata utilizzata da Huawei per la gestione del calore delle batterie degli smartphone dal 2016. Alcune banche di energia a ricarica rapida ricaricano i telefoni in appena 17 minuti utilizzando la sua alta conduttività elettrica.
Lyten, una startup di batterie al litio-zolfo che impiega grafene nell'anodo per una migliore densità di energia e una ricarica più veloce. Stanno testando le loro batterie con l'esercito degli Stati Uniti, con l'obiettivo che le loro batterie entrino nel mercato EV nel 2026 con fino a 3 volte la densità di energia delle attuali celle LIB.
Startup come Skeleton Technologies stanno migliorando i supercondensatori con il grafene. Skeleton sostiene di avere i supercondensatori con le migliori prestazioni al mondo, supportati da test della marina americana. Usano un tipo di grafene che ha una struttura 3D su scala nanometrica nei loro prodotti. Skeleton ha un portafoglio ordini di 200 milioni di dollari e ha raccolto 70 milioni di euro finora.
Nell'abbigliamento e nelle attrezzature di performance, il grafene ha trovato molti usi di nicchia di alto livello. Head offre racchette da tennis usate da Novak Djokovic, Naomi Osaka e altri giocatori d'élite che hanno grafene nel fusto e nella testa.
Vollebak ha venduto una giacca reversibile con grafene su un lato, che trattiene il calore estremamente bene28 e utilizza le proprietà antibatteriche del grafene. Le startup di abbigliamento in grafene hanno lanciato su Kickstart centinaia di migliaia di dollari. Le scarpe Inov8, utilizzate da alcuni dei corridori di resistenza d'élite del mondo, hanno aggiunto grafene ad alcune suole delle scarpe. Più recentemente, hanno rilasciato suole con schiuma di grafene che hanno raddoppiato la longevità della scarpa e sono più resistenti all'usura.
Il grafene migliora le prestazioni anche in altri materiali compositi e rivestimenti. Le principali aziende di cere per automobili stanno usando il grafene nei loro prodotti per una protezione più duratura della vernice. Le vernici a base di grafene sono usate per la loro protezione anticorrosiva per gli scafi delle navi e le turbine eoliche offshore. Sono necessarie solo quantità frazionarie come additivi al calcestruzzo per rafforzarlo del 30%, riducendo la quantità di calcestruzzo (e il costo) richiesto.
Il grafene mostra anche una promessa come biosensore per usi medici e healthtech. Grapheal ha sviluppato un test rapido dell'antigene COVID di 5 minuti basato sul grafene che ha vinto un premio per l'innovazione al CES 2022.
Eppure rimangono dei problemi prima che il mercato del grafene possa continuare a crescere. La produzione è stata limitata a processi difficili da scalare come la deposizione chimica da vapore. La qualità del materiale, con molte varianti commerciali, è difficile da valutare per gli acquirenti, e i truffatori abbondano.
I processi elettrochimici potrebbero giocare un ruolo nell'abbassare i costi di produzione, e alcuni promettenti segnali iniziali includono un processo di grafene flash che usa l'energia degli elettroni per surriscaldare pneumatici di gomma o rifiuti di discarica parzialmente in grafene che può poi essere usato per rafforzare il cemento.
Le sfide globali di scalabilità sono probabilmente risolvibili.
La storia delle transizioni energetiche e dell'alluminio mostra che i materiali promettenti troveranno probabilmente la loro strada in più mercati man mano che i costi continuano a scendere.
6.3 Batterie come struttura
Un altro interessante materiale emergente non è esattamente un materiale.
Il mondo userà esponenzialmente più batterie nei prossimi decenni. Perché non integrare le batterie direttamente nei materiali?
Batterie strutturali Tesla mostrate durante il Battery Day 2020.
Tesla sta sviluppando pacchi batteria che fanno un doppio lavoro come supporto strutturale, riducendo la massa del 10% e migliorando la gamma del 14%. Questo permette di risparmiare sui costi utilizzando 370 parti in meno. Questo accenna ai primi giorni di integrazione delle batterie nei materiali strutturali.
I ricercatori, con l'appoggio della Commissione Europea e della US Airfare, hanno fatto delle scoperte nelle batterie strutturali "senza massa". Le batterie su scala di laboratorio sono fatte di fibra di carbonio, foglio di alluminio e fibra di vetro. Il materiale risultante è già più rigido del legno, e i ricercatori pensano che potrebbe uguagliare anche la rigidità dell'alluminio.
DeepMind
7 Fattori abilitanti della transizione
La transizione dell'energia pulita si muove più velocemente quando tutte le barche remano nella stessa direzione. Startup, R&S, politica, finanziamenti e altro.
Molte cose permettono la transizione, ma ne toccherò due: AI + software e finanziamenti.
7.1 Software e AI sono fattori chiave
Il software e l'IA (compreso l'apprendimento automatico) sono fattori importanti per la transizione dell'energia pulita.
Tesla e altre startup EV hanno sfruttato i loro punti di forza29 nell'hardware, nel software e nell'intelligenza artificiale per offrire caratteristiche che le case automobilistiche tradizionali non hanno le competenze interne per replicare. Il sistema FSD di Tesla basato su telecamera e i chip personalizzati sono possibili solo con un team altamente qualificato di ingegneri hardware, AI e software. Il controllo di trazione in tempo reale basato sul software è diventato ancora più finemente sintonizzato con i veicoli elettrici - vedi il torque vectoring di Rivian come esempio.
La potenza di calcolo utilizzata nell'addestramento dei sistemi di intelligenza artificiale è salita alle stelle dopo una svolta del 2012 in un algoritmo di elaborazione delle immagini. Come mostrato qui sotto, la ricerca di Open AI ha scoperto che è raddoppiata ogni 3,4 mesi da allora. Questo è notevole, e non mostra segni di rallentamento. Inoltre, la quantità di calcolo richiesta per addestrare una rete neurale allo stesso livello di prestazioni su un algoritmo di riferimento di computer vision si è dimezzata ogni 16 mesi.
Adattato da OpenAI. Dal 2012, solo 3,4 mesi necessari per ogni raddoppio del calcolo utilizzato per l'addestramento AI.
Nel settore dell'elettricità, il software sta aiutando a ridurre l'attrito. Level 10, con sede a Seattle, offre un mercato in espansione che collega gli sviluppatori di progetti con gli acquirenti di PPA aziendali. Arcadia permette agli sviluppatori di software di integrare i dati di utilità nelle loro applicazioni - in modo che le persone e le imprese possano collegarsi a progetti locali di energie rinnovabili senza cambiare utilità.
Il software in tempo reale (per esempio Autobidder di Tesla) permette agli impianti di stoccaggio delle batterie di monetizzare e offrire servizi elettrici utili alla rete. Le risorse energetiche distribuite come le batterie, i pannelli solari fotovoltaici e i dispositivi di efficienza energetica vengono aggregati da Sunrun, Swell, Tesla, Stem e altri per monetizzare la partecipazione alla rete.
Patch e Watershed offrono entrambi piattaforme software per le aziende per rimuovere il carbonio e tracciare le emissioni, mentre Pachama usa immagini satellitari alimentate dall'AI per tracciare le riduzioni delle emissioni aziendali.
Nel frattempo, l'apprendimento automatico (ML) è sempre più utilizzato per accelerare la R&S per la scoperta di materiali e prodotti chimici, accelerando il time to market. Citrine, Kebotix, Exabyte e altre startup stanno lavorando su questo problema. Questo tipo di calcolo è ad alta intensità energetica, e una domanda sufficiente di ML in questo campo potrebbe aiutare a guidare la domanda di elettroni puliti dal solare e dal vento. Un altro esempio è KoBold Metals, che accelera l'esplorazione di minerali essenziali per le LIB utilizzando la modellazione AI dei siti minerari.
La simulazione di reazioni chimiche e fisiche è anche una strada molto promettente per le applicazioni di ML. Meta AI ha collaborato con CMU in un progetto per accelerare la scoperta di catalizzatori più efficaci per creare combustibili da fonti rinnovabili. Deepmind, un laboratorio di ricerca AI di proprietà di Alphabet, ha aumentato la produzione delle turbine eoliche del 20% usando il ML. La loro esperienza di deep learning sta anche aiutando un gruppo di ricerca svizzero sulla fusione a controllare autonomamente le bobine magnetiche per sfruttare un plasma stabile per la fusione.
Dato il ritmo del cambiamento, posso solo sperare di aver evidenziato alcuni aspetti di come l'AI e il software stanno permettendo la transizione energetica.
7.2 Il boom dei finanziamenti per la tecnologia del clima
Cleantech richiede più tempo, più soldi, più coraggio, con orizzonti più lunghi.
- John Doerr, primo investitore di Google, Amazon e Cleantech 1.0
L'accesso a un capitale abbondante e paziente è vitale per le startup di tecnologia del clima che costruiscono cose fisiche.
Ci sono grandi di finanziamenti azionari disponibili, con oltre 60 miliardi di dollari investiti in tutto il mondo nella prima metà del 2021, come mostrato di seguito. Circa uno su sette del totale dei dollari VC viene assegnato alle startup di tecnologia del clima e ci sono ora oltre 78 unicorni di tecnologia del clima su un totale di meno di mille “unicorni” in generale.
Adattato da PWC State of Climate Tech.
Gran parte dei finanziamenti sono per le startup della mobilità e dei trasporti, nessuna sorpresa data la crescita stratosferica dell'uso del LIB nei veicoli elettrici e nello stoccaggio stazionario, come abbiamo discusso. Ma è significativo che tutti i verticali coperti dal rapporto PWC, ad eccezione dell'ambiente costruito, sono cresciuti di oltre il 90% in dollari di finanziamento anno per anno.
Per aiutare le startup a colmare il divario verso una serie A sono disponibili un certo numero di acceleratori, incubatori e fondi e sovvenzioni del settore pubblico.
I VC hanno imparato a diventare più pazienti con la tecnologia del clima, riconoscendo che gli investimenti in questo spazio richiedono più tempo per un'uscita rispetto alle società internet. Come abbiamo dimostrato con CATL e l'incredibile crescita di Tesla, i rendimenti possono effettivamente essere maggiori nella tecnologia del clima rispetto ai tradizionali VC a uno e zero. Infatti, un investitore cleantech ha notato che il presunto fallimento delle aziende Cleantech 1.0 non sembra così male nel 2021, dopo poco più di un decennio. I rendimenti sui 25 miliardi di dollari investiti durante l'intero boom originale erano circa 20 volte a metà del 2021, ma sarebbero stati sott'acqua nel 2016.
È interessante notare che le startup climate tech raccoglieranno più capitale solo nella prima metà del 2021 che durante l'intero "boom" di Cleantech 1.0. Inoltre, aneddoticamente, un numero crescente di persone che lavorano nella tecnologia tradizionale (dalla Silicon Valley in particolare) si stanno muovendo per unirsi o avviare aziende di tecnologia del clima.
Anche il finanziamento del debito per le grandi aziende è in piena espansione, con oltre 269 miliardi di dollari investiti nel 2020, e il 2021 sembra che crescerà ben oltre. Parallelamente al boom del capitale pulito, è diventato sempre più difficile per gli operatori storici dei combustibili fossili avere accesso al capitale. Le banche hanno investito più in obbligazioni e prestiti verdi nel 2021 che in società di combustibili fossili, e le nuove centrali a carbone non possono ottenere finanziamenti mentre quelle esistenti sono sempre più antieconomiche.
Fatto usando i dati di Amory Lovins, MarketWatch e EV Volumes.
Quando gli sfidanti iniziano a colpire una crescita accelerata, la quota di mercato degli incumbent inizia a scendere rapidamente. Questo sta accadendo per il carbone proprio ora che il solare e l'eolico stanno sostenendo alti tassi di crescita, e per le auto ICE con il boom delle vendite di EV.
Infine, anche i mercati pubblici prendono nota della quota di mercato, come mostrato nel grafico qui sopra. Storicamente, il capitale tende a disertare gli operatori storici quando i nuovi sfidanti detengono quote di mercato a una cifra. Questo sembra sorprendente, ma si è verificato molte volte, come mostrato in questa tabella.
SOM
8 Una visione per il 2045
Non c'è abbastanza ottimismo nel guardare ad un futuro migliore.
Questo mi ha sorpreso. Il problema è enorme, ma credo che le soluzioni in corso e che saranno sviluppate siano all'altezza della sfida. Il solare, l'eolico e le batterie decarbonizzeranno la maggior parte dell'uso dell'energia dell'umanità e creeranno enormi opportunità in industrie vecchie e nuove.
Questa mancanza di ottimismo mi ha ispirato a scrivere sui futuri possibili entro il 2045. Ho attinto molto a ciò che è scritto in questo post. Andateci piano con questa parte perché queste sono visioni, e non sono previsioni!
8.1 L'energia solare, eolica e di stoccaggio a prezzi folli alimenta quasi tutto
Nel 2045, tutti gli elettroni sono generati da fonti rinnovabili in tutti i paesi più ricchi e nella maggior parte di quelli a medio reddito.
Solare, eolico e batterie hanno reso l'elettricità incredibilmente economica. Economica da comprare dai servizi pubblici. Economica da acquistare direttamente dagli sviluppatori per usarla nelle industrie ad alta intensità energetica. Economico per comprare la propria energia pulita per la resilienza. Le centrali a carbone e a gas naturale di tutto il mondo sono andate in pensione, incapaci di competere.
I pannelli solari fotovoltaici sono montati sulla maggior parte dei tetti, e la maggior parte dei nuovi tetti hanno il fotovoltaico incorporato. Anche molti muri e facciate sfruttano l'energia dei fotoni. Gli impianti solari punteggiano la piccola quantità di terra necessaria per fornire la maggior parte del fabbisogno energetico della rete.
L'intermittenza è stata risolta. Il vento è sfruttato in mare aperto ancor più che nelle pianure rafficate di tutto il mondo. La maggior parte delle installazioni solari su larga scala include lo stoccaggio stazionario co-locato, abbastanza economico da scaricare elettroni per 12-24 ore. Gli accumuli di lunga durata aiutano a riempire le settimane "Dunkelflaute" che sono ferme e nuvolose.
Le microgrid solari e a batteria forniscono energia a innumerevoli aziende, edifici e luoghi remoti.
8.2 I veicoli elettrici hanno sostituito le auto ICE e stanno prendendo il sopravvento sui trasporti
Nel 2045, i veicoli elettrici sono ovunque sulla terra, sull'acqua e nei cieli.
Proprio come il rapido passaggio dai cavalli alle automobili, è quasi impossibile individuare un veicolo ICE. Gli EV sono semplicemente migliori - avendo più autonomia a costi inferiori e possono fare il backup della tua casa in un attimo.
Le barche elettriche scivolano attraverso i porti e lungo i fiumi.
La maggior parte dei veicoli sono autonomi, rendendo i trasporti i più sicuri della storia. I camion si guidano da soli tra le città. La mobilità economica e su richiesta è ora una realtà. Il traffico e la velocità di guida nelle aree urbane migliorano drasticamente.
I piccoli eVTOL hanno sostituito tutte le rotte aeree commerciali più brevi. La gente vola da Austin a Houston o da Londra a Parigi in meno di un'ora, e da SF a San Jose in pochi minuti. La densità di energia e le scoperte sui materiali hanno permesso agli aerei elettrici con dozzine di posti di essere convenienti anche su rotte più lunghe. Le persone che volano da SF a LA, da Sydney a Melbourne o da Shanghai a Pechino godono di tempi più brevi da porta a porta a costi inferiori.
8.3 Lo stoccaggio delle batterie è ovunque, ma soprattutto nei veicoli elettrici
Nel 2045, le batterie servono come tessuto connettivo primario per l'energia. Banchi di stoccaggio su scala massiccia siedono accanto a impianti solari ed eolici altrettanto grandi.
Immagazzinare ancora più energia delle batterie su scala di rete sono le decine di LIB nei veicoli elettrici ovunque. Forniscono energia a case, edifici, aziende e città quando necessario, e i proprietari dei veicoli sono incentivati a condividere il succo. Nessuno si preoccupa della degradazione della batteria, grazie alle garanzie di molti milioni di miglia e all'autonomia senza preoccupazioni.
8.4 La maggior parte delle industrie esistenti sono elettrificate, tutte a bassa emissione di carbonio
Nel 2045, l'elettrificazione alimentata da fonti rinnovabili è avvenuta più velocemente di quanto previsto dai più.
I viaggi a lungo raggio usano combustibili fatti usando la CO2 dell'aria, trasformata in combustibili usando l'elettrochimica o la biochimica. Questi combustibili sono diventati più economici delle alternative fossili. Anche il trasporto marittimo usa un carburante più economico a bassa emissione di carbonio, sia dai carburanti derivati dalla CO2 del DAC che dall'ammoniaca pulita dell'idrogeno verde.
Gli edifici usano pompe di calore che funzionano anche in climi molto freddi, rendendo obsoleti i forni a gas per il riscaldamento degli spazi, così come gli elettroni puliti a buon mercato rendono antieconomico il riscaldamento dell'acqua con il gas.
Anche l'industria si sta elettrizzando rapidamente entro il 2045. Gran parte dell'acciaio è prodotto per elettrolisi a basso costo, proprio come il prodotto-mercato dell'alluminio è decollato negli anni 1890. Il calcestruzzo è a zero emissioni di carbonio grazie agli additivi di CO2. Le miniere, spesso remote, sono quasi tutte passate dai fossili ad attrezzature e veicoli alimentati da elettroni. Il calore industriale usa una combinazione di idrogeno verde e tecnologie migliorate che convertono direttamente l'elettricità in calore.
Tutta la raffinazione e la produzione chimica è priva di fossili, sintetizzata dall'aria o da microbi e alimentata da elettroni (e calore quando necessario) da fonti rinnovabili.
8.5 Il CO2 dell'aria è un bene fondamentale
Nel 2045, usare il carbonio è più importante che mai. Ma a differenza dell'era fossile, ora è pulito ed economico, aprendo ancora più modi per utilizzare il vasto stock di CO2 che abbiamo nel cielo.
La rimozione del carbonio è aumentata, dapprima lentamente, poi tutta in una volta, fino a livelli di multi-gigaton. Gran parte della rimozione è fatta usando il DAC. Il DAC elettrochimico in particolare gioca un ruolo chiave, sostenuto dal miglioramento dell'economia unitaria di elettroni puliti ed economici. Queste unità sono modulari e piccole, per lo più distribuite vicino al punto d'uso o di sequestro per minimizzare i tempi e i costi di trasporto. I filtri dell'aria di auto e case hanno la cattura di CO2 incorporata, così come le unità HVAC in edifici di tutte le dimensioni.
Nel 2045, la CO2 catturata dal DAC è inferiore a 50 dollari/tonnellata. Una parte della CO2 è stata sequestrata nel sottosuolo o mineralizzata nelle rocce. Ma sempre più spesso viene usata come materia prima. La CO2 rafforza il cemento e sostituisce il carbonio necessario per la maggior parte dei prodotti petrolchimici e dei combustibili esistenti. È usata per fare polimeri che erano già noti, ma anche nuovi materiali che sono stati commercializzati.
Stiamo anche mettendo i microbi al lavoro per convertire la CO2 direttamente o indirettamente nei bioreattori. I microbi si nutrono di CO2 dall'aria per coltivare carni, frutti di mare e latticini a base di cellule. I percorsi che utilizzano la biologia sintetica sono anche utilizzati per produrre prodotti chimici, plastiche e carburanti.
I combustibili fossili hanno pochissimi, se non nessuno, usi competitivi nella fabbricazione di prodotti a base di carbonio.
Anche la rimozione del carbonio basata sulla natura sta funzionando. Le pratiche rigenerative della terra aiutano a ripristinare i corridoi per la fauna selvatica dalla terra sterile. Le foreste di kelp coltivate stanno rivitalizzando gli ecosistemi marini.
Tutto questo significa che nel 2045 siamo sulla strada per riutilizzare i 2,4 teratoni di CO2 in eccesso nell'aria. Tuttavia, ci sono ancora molti decenni prima che questa vasta risorsa sia utilizzata.
8.6 Grafene ubiquo, fusione e altro
Nel 2045, il grafene ha superato di gran lunga i precedenti mercati di nicchia. È usato in una vasta gamma di applicazioni nell'immagazzinamento dell'energia, nell'elettronica, nell'abbigliamento, nella medicina e nei materiali ad alte prestazioni.
L'aria interna è meno soffocante grazie ai filtri di CO2 nei sistemi HVAC. Le strade sono più tranquille e le città libere dallo smog.
L'agricoltura indoor e verticale sono il modo più economico per coltivare verdure e bacche. Le proteine basate sulle cellule e derivate dalle piante hanno quasi eliminato la necessità di allevare animali.
La produzione additiva e prefabbricata è più economica degli approcci costruttivi convenzionali. I design standardizzati e modulari avranno un aspetto fantastico, e i materiali emergenti sono accessibili, puliti e con prestazioni migliori del buon vecchio cemento e acciaio.
La tecnologia della fusione nucleare è abbastanza avanzata per essere una fonte di energia emergente nel 2045, con alcuni impianti che hanno un guadagno energetico sufficiente per fornire elettricità. Non è ancora competitiva in termini di costi con il solare, il vento o le batterie, ma una nuova generazione di fondatori vede dei percorsi per arrivarci.
Conclusione
C'è molto da fare, ma il futuro è luminoso.
Complimenti per essere arrivato alla fine di questo post incredibilmente lungo!
Dopo aver approfondito qui la transizione energetica, penso che possiamo essere più ottimisti sul futuro.
Nei prossimi anni e decenni, avremo accesso all'energia più pulita ed economica della storia. Le più grandi opportunità e i più grandi cambiamenti sono ancora davanti a noi. Alcuni dei più brillanti ingegneri e costruttori di aziende del mondo stanno lavorando su questi mentre parliamo.
Parliamo di qualsiasi idea trattata qui, o di qualsiasi altra cosa relativa alla transizione energetica. In particolare, sono nelle prime fasi di esplorazione di idee per il DAC elettrochimico, l'utilizzo di CO2 e nuovi usi del grafene.
Raggiungimi su Twitter, LinkedIn o mandami un'email [at] tsungxu [dot] com.
I seguenti fondatori e ingegneri alla frontiera della transizione energetica hanno rivisto sezioni di questo articolo e le hanno rese migliori. Grazie, in nessun ordine particolare, a Brian Heligman, Duncan Campbell, Jacob Brown, Douglas Onyango, Ryan Anderson, Grant Faber, Shanu Mathew, David Izikowitz e Ivo Stranic. Grazie anche a Minh Lam e Anna-Mateja Delas per la correzione di bozze.
I gruppi che potresti trovare utili (che io ho sicuramente) includono My Climate Journey (abbonamento) e Work On Climate per discussioni generali sulla tecnologia del clima e l'energia pulita, AirMiners e OpenAir Collective per la rimozione del carbonio, DER Taskforce per l'energia distribuita e Battery Street per le batterie.
Potete scaricare un PDF dell'articolo.
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Aneddoticamente, più persone si stanno spostando verso l'energia pulita e le tecnologie legate al clima. COVID sembra aver contribuito a spingere alcune persone a lavorare in settori più orientati alla missione. Sempre più persone sembrano rendersi conto che possono essere orgogliose di lavorare su qualcosa a cui sono interessate, che può aiutare il mondo, ed essere ben ricompensate per questo.
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Il CAGR è il tasso di crescita annuale in media su un periodo di tempo, utile per confrontare le metriche di startup o finanziarie come le entrate, la redditività, ecc.
Il 40% di crescita dei ricavi CAGR per una società pubblica in 10 anni è spettacolare, per un'industria, ancora di più. Google ha raggiunto il 25% di crescita dei ricavi CAGR dal 2005 al 2020, e Amazon ha gestito poco meno del 29% nello stesso periodo.
Uso spesso questo termine in questo articolo per mostrare come il solare e le batterie agli ioni di litio sono cresciuti così rapidamente per così tanto tempo.
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Gli LCOE solari ed eolici provengono dai rapporti Lazard dal 2010 al 2020. Il LCOE solare è per il solare a film sottile.
Ho usato due misure dei prezzi dell'elettricità degli utenti industriali statunitensi. I dati precedenti al 1960 sono misurati usando questa serie di dati storici del Bureau of Labor Statistics, capitolo S, serie 118. I dati post-1960 sono tratti da EIA qui.
I prezzi sono aggiustati per l'inflazione usando la misura del deflatore del PIL del FRED per il periodo successivo al 1947, quando i dati sono diventati disponibili, e l'IPC per i dati precedenti al 1947.
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Non ho incluso il gas naturale in queste transizioni passate perché non ha mai raggiunto l'impatto e la quota di utilizzo dell'energia come il carbone o il petrolio. Avrà un ruolo sempre più limitato, dato che il solare e l'eolico continueranno a sostituirlo per la generazione di elettricità negli anni 2020 e oltre.
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L'acciaio ha contribuito a creare (scusate il gioco di parole) il mondo moderno. Le strutture interne in acciaio hanno dato il via al boom dei grattacieli a Chicago, New York e in altre grandi città degli Stati Uniti e dell'Europa occidentale. La maggior parte delle nuove navi furono fatte in acciaio entro il 1900, e i militari furono i primi ad adottare l'acciaio. Il massiccio scafo del Titanic non avrebbe potuto essere costruito senza acciaio.
Per saperne di più sul ruolo dei materiali nel corso della storia, date un'occhiata a The Substance of Civilization del defunto professore della Cornell Stephen L. Sass.
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Henry Ford aveva preso di mira gli agricoltori come mercato iniziale per il Modello T, e aveva pensato che gli agricoltori potessero fare da soli i loro carburanti alcolici. Questo significa che il motore della Ford Modello T fu costruito per usare carburante ad alcol o benzina nei modelli per oltre due decenni fino al 1931. (Rhodes, pag. 234-235).
Ma il carburante alcolico era più costoso e non aveva la catena di approvvigionamento che aveva la benzina, in gran parte grazie alla Standard Oil di John D. Rockefeller. Interessante parallelo con i carburanti a basso contenuto di carbonio rispetto alle batterie di oggi.
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Il radar isolato in polietilene ha aiutato a vincere la Seconda Guerra Mondiale. Permise alle apparecchiature radar britanniche di evitare la perdita di potenza e di essere abbastanza leggere da essere collocate all'interno dei loro aerei da combattimento.
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Vedere il classico di Clay Christensen, The Innovator's Dilemma, per saperne di più sul perché gli incumbent fanno fatica a rispondere ai nuovi arrivati dirompenti.
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Vedere la nota 3 per il motivo per cui ho escluso il gas naturale da questa analisi.
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L'elettricità confrontata con i combustibili fossili usando il metodo di sostituzione basato sui fattori di conversione della BP per i dati post-1965 e questo studio per i dati pre-1965.
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I valori per il petrolio e il gas naturale sono i limiti inferiori dei calcoli conservativi. Ho errato sul lato conservativo per i punti di dati dei combustibili fossili, che hanno serie di dati meno granulari, il che significa che il grafico mostra una crescita dei combustibili fossili leggermente più veloce di quello che probabilmente è successo. In questo modo, è molto chiaro che il solare e l'eolico stanno crescendo molto più velocemente.
Vedere la nota 9 su come l'elettricità viene convertita con il metodo della sostituzione.
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La scalata dell'energia eolica è stata simile a quella del solare, ma non altrettanto veloce. Dal 1983 al 2017, 34 anni, il costo della fornitura di elettricità dal vento onshore è sceso dell'87% mentre l'energia eolica generata è cresciuta di 35.000 volte.
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C'è spesso questa narrativa sostenuta, da alcuni VC e fondatori, che lo stato dovrebbe avere un approccio laissez-faire alle nuove tecnologie. Questo ha funzionato per le industrie del software, ma non è stato in gran parte il caso per le scoperte significative nell'hard tech.
Il governo non doveva scegliere le industrie vincenti di per sé, ma l'approvvigionamento era importante. Per esempio, il governo degli Stati Uniti ha acquistato più della metà di tutti i chip di semiconduttori statunitensi dalla fine degli anni '50 alla metà degli anni '60, principalmente per uso militare e per la corsa allo spazio.
Questo e altri esempi di vento di coda del governo per le batterie agli ioni di litio in Cina e il solare, come descritto qui, in molti paesi dimostrano che un certo sostegno del governo può essere utile.
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I valori sono LCOE di energia solare ed eolica utility-scale non sovvenzionata negli Stati Uniti nel 2021 dalla ricerca di Lazard. I prezzi del solare sono per il fotovoltaico a film sottile con inseguitori ad asse singolo. Le gamme di costo del gas naturale sono basate sui valori del 2021.
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Derivato dalle tabelle Our World in Data per la generazione e la capacità solare.
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Il costo dell'installazione del solare sui tetti è incredibilmente economico in Australia rispetto ai siti massicci su scala industriale. È solo il 15% più costoso da installare in $/KW rispetto alle installazioni su scala industriale con molte migliaia o anche milioni di pannelli. Per fare un confronto, il solare su tetto negli Stati Uniti è 3-4 volte più costoso del solare su scala industriale.
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Per una grande introduzione su come funzionano le batterie agli ioni di litio, controlla l'eccellente primer di David Robert.
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I cofondatori originali di Tesla, Martin Eberhard e Marc Tarpenning, avevano effettivamente sviluppato il primo e-reader nel 1997 e lo avevano proposto a Jeff Bezos, dieci anni prima dell'uscita del primo Kindle. Questo ha dato loro un'intima comprensione delle tecnologie emergenti delle batterie. Vedere The Everything Store di Brad Stone per saperne di più.
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Registrazione gratuita richiesta per visualizzare i riassunti esecutivi di Wood Mackenzie per il terzo trimestre 2018 e il secondo trimestre 2021
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La Rimac Nevera elettrica è ancora più veloce, essendo capace di un ridicolo 8,6 secondi quarto di miglio, ed è ancora più conveniente che la Bugatti.
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La Model 3 era stata più economica fino a una serie di aumenti di prezzo nel 2021. Nonostante costi di più, aspettatevi che superi la concorrenza ancora di più nei prossimi anni.
La Model Y potrebbe diventare l'auto più venduta al mondo entro il 2023.
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Le entrate di CATL si basano sui dati sui guadagni di Reuters e qui in CNY. La conversione in USD è stata fatta utilizzando il tasso CNY/USD alla chiusura dell'ultimo giorno di ogni periodo di riferimento.
AWS è incluso nel grafico, in quanto è stato uno dei prodotti di definizione della categoria in più rapida crescita negli ultimi dieci anni.
Per CATL, Tesla e XPeng, i numeri sono dell'ultimo periodo di dodici mesi al momento della pubblicazione: Da ottobre 2020 a settembre 2021.
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Raccomando un altro post di David Roberts per un maggiore contesto sul litio ferro fosfato (LFP) contro i catodi a base di nichel. Da quando è stato scritto, ancora più produttori di EV stanno saltando sul carrozzone LFP, per non parlare dei produttori di 2 e 3 ruote e dei produttori di accumulatori stazionari.
Se la densità di energia per la LFP può continuare a migliorare, è possibile che la LFP sarà la chimica dominante, almeno prima che arrivino catodi migliori (economici).
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ERCOT e SPP sono operatori di sistema indipendenti che assicurano l'affidabilità delle loro reti regionali separate.
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Questo è un esempio di produzione di proteine cellulari che sta emergendo come alternativa proteica e casearia. Essendo in grado di regolare così tante caratteristiche, è possibile che le proteine del futuro abbiano un sapore molto migliore di quelle di oggi. Essere in grado di produrre questo su scala ridurrebbe drasticamente la terra necessaria per nutrire miliardi di esseri umani.
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Probabilmente è meglio non pensare a come stiamo sempre inalando quella bontà fossile di 400+ppm.
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Questa caduta è paragonabile a quella del solare dagli anni '70 e delle batterie agli ioni di litio dalla fine degli anni '90, come si vede dai grafici nelle rispettive sezioni precedenti.
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Geim aveva vinto il premio Ig Nobel nel 2000, che viene dato per risultati scientifici eccentrici o banali. Vincere il Nobel lo ha reso la prima, e credo unica, persona ad aver vinto entrambi i premi. Ha vinto l'Ig Nobel per aver fatto levitare magneticamente una rana.
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Così bene infatti che i primi prototipi erano abbastanza conduttivi elettricamente.
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Molti leader LIB e EV nella transizione dell'energia pulita hanno radici nella Silicon Valley (Tesla) o una forte presenza di R&S lì (Rivian, startup EV cinesi, ecc). Queste aziende hanno probabilmente fatto un lavoro migliore di qualsiasi altro nell'integrare una serie di discipline ingegneristiche tra cui l'ingegneria informatica, meccanica, chimica ed elettrica.
Apple è forse il miglior esempio di averlo fatto di recente, dai Mac agli smartphone.
Mentre queste aziende sviluppano sempre più capacità attraverso le discipline, gran parte della Silicon Valley continua ad immergersi nel miglioramento del mondo digitale, per esempio il Metaverso e il "Web3".
Tsung Xu © 2022
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