La principale soluzione al cambiamento climatico è ben nota:smettere di bruciare combustibili fossili. Come farlo è più complicato, ma come studioso che fa modelli energetici, Io e altri vediamo i contorni di un futuro post-combustibile fossile:produciamo elettricità con fonti rinnovabili ed elettrifichiamo quasi tutto.

Ciò significa far funzionare veicoli e treni con l'elettricità, riscaldamento di edifici con pompe di calore elettriche, applicazioni industriali elettrizzanti come la produzione di acciaio e l'utilizzo di elettricità rinnovabile per produrre idrogeno (simile al gas naturale) per altri requisiti. Il focus è quindi sull'alimentazione della rete elettrica con fonti rinnovabili.

C'è dibattito, anche se, sulla fattibilità di sistemi di elettricità completamente rinnovabili e sulla rapidità con cui può essere effettuata la transizione. Qui sostengo che la fattibilità è chiara, quindi solo la domanda di transizione è rilevante.

Tecnologie conosciute

La mia ricerca si concentra sull'economia delle energie rinnovabili. Per dimostrare la fattibilità e stimare il costo dei sistemi di elettricità rinnovabile, i ricercatori utilizzano modelli informatici che calcolano la produzione potenziale da diverse tecnologie in ogni momento, in base alle mutevoli condizioni atmosferiche. Un modello rivela quale combinazione di fonti di elettricità e sistemi di accumulo di energia ha il costo più basso pur soddisfacendo sempre la domanda.

Molti studi dimostrano che le reti elettriche completamente rinnovabili sono realizzabili negli Stati Uniti, Europa, Australia e altrove. I miei colleghi ed io abbiamo recentemente completato uno studio su piccola scala sull'isola-nazione di Mauritius. Le isole sono luoghi attraenti per le prime transizioni rinnovabili a causa della loro piccola scala, relativa semplicità e dipendenza dai combustibili importati.

Esistono diversi modi per produrre elettricità rinnovabile:idroelettrica, vento, solare fotovoltaico, geotermico e bruciando varie forme di biomassa (materia vegetale), oltre a migliorare l'efficienza per utilizzare meno energia. Si tratta di tecnologie mature con costi noti.

Altre possibilità includono onda, energia solare mareomotrice e a concentrazione, dove i riflettori concentrano i raggi solari per produrre energia. Sebbene questi possano essere utilizzati in futuro, la necessità di affrontare il cambiamento climatico è urgente, e secondo me, le tecnologie mature sono sufficienti.

Le opinioni sull'energia nucleare sono forti, che è un'altra conversazione. Ma i modelli mostrano che gli Stati Uniti non hanno bisogno dell'energia nucleare per ritirare i combustibili fossili.

La griglia del futuro

I sistemi di energia rinnovabile sono specifici del luogo:il sistema migliore dipende dalle risorse di un luogo (c'è vento?), il suo andamento temporale (quanto spesso non c'è vento?) e la disponibilità di fonti complementari (c'è l'energia idroelettrica per il backup?). Nonostante questa sensibilità alla posizione, studi in luoghi disparati stanno trovando risultati simili.

Avere una varietà di fonti rinnovabili può ridurre i costi. In particolare, solare ed eolico sono complementari se la stagione del sole non è la stagione del vento; i modelli scoprono che una combinazione di entrambi è in genere meno costosa di entrambi da soli.

Per la maggior parte delle tecnologie, una scala più grande riduce i costi. Per esempio, negli Stati Uniti, i parchi solari su larga scala possono essere più di 1, 000 volte più grande dei sistemi sui tetti residenziali e circa la metà del costo. Per ridurre al minimo i costi, realizziamo grandi impianti.

Poiché le condizioni del sole e del vento variano nel paesaggio, i costi di sistema diminuiscono al crescere di un'area di produzione, quindi è necessaria una rete elettrica robusta per spostare l'elettricità dai luoghi in cui c'è l'offerta ai luoghi della domanda. Abbiamo anche bisogno di più elettricità per applicazioni come i trasporti che attualmente utilizzano combustibili fossili. Ciò significa che la rete deve crescere.

Gli studi dimostrano che la gestione di una rete elettrica con energia rinnovabile variabile includerà il non utilizzo, o dumping, un po' di energia a volte, una strategia che riduce i costi rispetto a immagazzinare sempre l'energia in eccesso.

Ancora, è necessaria una qualche forma di accumulo di energia elettrica. Le batterie funzionano bene per attenuare le fluttuazioni a breve termine, ma per immagazzinare energia per molte ore o giorni, l'accumulo idroelettrico pompato è meno costoso. L'acqua pompata utilizza l'energia extra nella rete per pompare l'acqua in salita, e quando serve energia, l'acqua torna indietro per generare energia in una turbina. Gli Stati Uniti hanno alcuni esempi esistenti e molte posizioni possibili. Con l'espansione della rete, l'archiviazione può trovarsi a distanza dagli utenti.

L'energia idroelettrica e la biomassa sono disponibili su richiesta, quindi avere questi in una rete elettrica rinnovabile riduce la necessità di accumulo di energia e riduce i costi. Entrambi hanno effetti ambientali che devono essere gestiti.

L'energia idroelettrica può alterare gli ecosistemi locali. La combustione della biomassa emette anidride carbonica, ma uno studio su cui ho lavorato mostra che le emissioni di biomassa sono reversibili e sono chiaramente preferibili alle emissioni di combustibili fossili. La sostenibilità dipende anche in modo critico dalla gestione dei campi di biomassa e delle foreste; il track record umano su questo non è stato stellare.

I sistemi di energia rinnovabile richiedono terreno. Uno studio statunitense mostra che fornendo tutta l'elettricità dal vento, acqua e solare avrebbero bisogno dello 0,42% della superficie terrestre, più 1,6% della superficie terrestre per lo spazio tra le turbine eoliche. L'energia da biomassa richiede molta più terra di quella eolica o solare, quindi la biomassa deve essere una piccola parte della soluzione di energia rinnovabile.

Le vere barriere sono politiche e culturali

Una futura rete elettrica rinnovabile con elettrificazione associata può o meno ridurre i costi energetici. Ma evitare gli effetti peggiori del cambiamento climatico significa abbandonare i combustibili fossili, se questo consente di risparmiare denaro. Ancora, la transizione rinnovabile sarà più rapida e politicamente più facile se sarà meno costosa.

A Maurizio, il nostro studio rileva che i costi dell'elettricità rinnovabile sono simili ai costi attuali lì, sulla base degli attuali costi di capitale per le energie rinnovabili. Alcuni studi trovano anche che i costi per l'elettricità rinnovabile futura siano inferiori ai costi attuali dei combustibili fossili, nel probabile caso in cui i costi diminuiscano man mano che costruiamo più sistemi di energia rinnovabile e miglioriamo nel farlo.

E questo è tutto, da un punto di vista tecnico. Una combinazione di fonti rinnovabili e accumulo di energia, la combinazione specifica a seconda delle condizioni e delle preferenze locali, può fornire tutta l'elettricità necessaria a un prezzo accessibile, e ridurrà l'inquinamento atmosferico per l'avvio.

Ma sono necessarie politiche governative per passare alle energie rinnovabili. Il cambiamento climatico è un costo esterno, sostenuto dalla società piuttosto che dai produttori di energia, quindi le forze di mercato da sole non faranno la transizione. Oltre a dare un prezzo al carbonio (magari con dividendi restituiti al pubblico), il governo potrebbe facilitare la costruzione delle infrastrutture necessarie. Ed è necessario il sostegno pubblico:ad esempio, l'accettazione pubblica delle linee di trasmissione per spostare l'elettricità dalle ventose Grandi Pianure ai centri cittadini è un'altra sfida per una rete completamente rinnovabile.

Un progetto sulla scala della trasformazione del sistema energetico creerà posti di lavoro – molti posti di lavoro – che è forse la misura economica più importante per la cittadinanza.

La ricerca mia e di altri mostra che le reti elettriche completamente rinnovabili sono realizzabili con la tecnologia attuale a prezzi correnti; le barriere all'uso dell'elettricità rinnovabile sono più politiche e culturali che tecnologiche o economiche.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.