Energia: come ridurre le perdite attraverso l’elettricità

La recente crisi energetica in Europa ha scatenato l’inflazione e ci ha ricordato quanto dipendiamo dall’energia e quanto sia importante diversificare le fonti d’approvvigionamento, ridurre la domanda o aumentare l’efficienza. Due terzi dell'energia immessa nel sistema va persa. Ridurre queste perdite è possibile, per esempio attraverso l'elettrificazione di processi e applicazioni finali.

Senza energia la civiltà moderna non esisterebbe. L’energia ci permette di svolgere un lavoro e ha infinite applicazioni: non avremmo i trasporti, non potremmo cuocere cibi sui fornelli, illuminare case e uffici, fabbricare prodotti, usare computer, e tante altre cose se mancasse l’energia.

Tutti gli operatori economici, e gli investitori, avvertono l'urgenza di adottare un approccio più ecologico, il che implica la necessità di una massiccia espansione dell'energia rinnovabile. La crescente innovazione nel campo dell'ingegneria e della tecnologia favorisce il raggiungimento degli obiettivi climatici a livello mondiale, che, a loro volta, offrono un numero sempre maggiore di potenziali opportunità di investimento a lungo termine.

La Figura 1 illustra accuratamente il sistema energetico dal principio alla fine e ne evidenzia il significato concreto nella vita di tutti i giorni.

Figura 1

Fonte: "From using heat to using work: reconceptualising the zero carbon energy transition", Nick Eyre, Energy Efficiency, settembre 2021.

Solo un terzo dell’energia prodotta raggiunge l’utente finale

Un aspetto sorprendente del sistema energetico odierno è che è ancora molto inefficiente, poiché la maggior parte dell'energia viene sprecata. Negli Stati Uniti solo un terzo dell'energia prodotta giunge all'utente finale, ad esempio per spostarsi, cucinare o alimentare una fabbrica.

Figura 2: Flussi di energia negli Stati Uniti nel 2022

Fonte: Energy Flow Charts, Flowcharts. In unità di energia (quad).

La maggior parte (il 79%) della nostra energia proviene ancora dai combustibili fossili.¹  Durante la conversione del carbone, del petrolio greggio e del gas naturale in risorse utili, come elettricità, carburante per trasporti o riscaldamento, e mentre i macchinari e i motori sono in funzione, gran parte dell'energia si trasforma in calore, si disperde o svanisce a causa dell'attrito.

Una normale centrale a carbone ha un rendimento energetico di circa il 35%, il che equivale alla perdita del 65% del tenore energetico della materia prima carbone. Per un moderno impianto a gas a ciclo combinato, tale perdita si aggira "solo" intorno al 55% e nel migliore dei casi è inferiore al 40%.

La produzione di elettricità e calore causa le maggiori perdite

Per comprendere meglio la questione, è utile aver presenti le seguenti definizioni:

Approvvigionamento

• Energia primaria o approvvigionamento energetico totale (TES): tutti i prodotti energetici che non vengono trasformati e sfruttati direttamente. Si tratta principalmente di petrolio greggio, gas naturale, carbone, biomassa, radiazioni solari, energia idraulica, energia eolica, energia geotermica ed energia derivante dalla fissione dell'uranio.
• Energia secondaria: l'energia ottenuta dalla conversione dell'energia primaria in una forma trasportabile. Si tratta principalmente di elettricità ricavata da combustibili fossili e uranio, carburanti liquidi, come la benzina o il diesel, e calore.

Consumo

• Energia finale o consumo finale totale (TFC): l'energia che gli utenti finali acquistano e ricevono, come l'elettricità a casa o la benzina presso una stazione di servizio.
• Energia utile o servizi energetici: l'energia a disposizione degli utenti finali per soddisfare i loro bisogni; è il servizio energetico fornito. Si tratta di una frazione del TFC. Ad esempio, per un'auto, un camion o un aereo, è il movimento del veicolo; oppure è il calore generato da una caldaia a gas.

L'Agenzia internazionale dell'energia (AIE) fornisce dati dettagliati, che documentano l'evoluzione dell'approvvigionamento (TES) e del consumo energetico (TFC) e il relativo divario. Nel grafico seguente è possibile osservare in dettaglio dove e come avviene la perdita di energia:

Figura 3: Dall'approvvigionamento al consumo 

Fonte: AIE, World Energy Balances Highlights, settembre 2023 (in esajoule).
CHP: Combined Heat & Power (Cogenerazione di calore ed elettricità).

Questo grafico illustra chiaramente la situazione:

• Una parte significativa dell'approvvigionamento energetico viene persa durante la conversione
• Oltre il 60% delle perdite avviene durante la produzione di elettricità e calore

Ulteriori perdite a livello del consumatore finale

In aggiunta alle perdite che si registrano tra energia primaria e consumo finale, vi sono ulteriori perdite tra consumo finale ed energia utile, ossia l'energia effettivamente utilizzata dal cliente finale. Per esempio, la benzina che permette di riscaldare il motore (inutile) e di far muovere l'auto (utile). È quanto illustrato nella Figura 4. In definitiva, circa i due terzi dell'energia primaria vanno persi, ossia non hanno alcuna utilità per la società.

Figura 4: Dall'energia primaria all'energia utile

Fonte: AIE, EIA, Lawrence Livermore National Laboratory.

Come ridurre gli sprechi?

Come possiamo aumentare la quota di energia utile e ridurre gli sprechi? Sebbene le leggi della fisica non possano essere sconfitte, esistono modi per migliorare la situazione, in particolare attraverso due leve fondamentali e interconnesse: l'efficienza e l'elettrificazione.

Non è un caso che una delle conclusioni della conferenza delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici (COP28) del 2023 sia stata la richiesta di "triplicare la capacità di energia rinnovabile a livello mondiale e raddoppiare il tasso medio annuo globale di miglioramento dell'efficienza energetica entro il 2030".

L'efficienza consiste nell'avere lo stesso risultato a fronte di un minor consumo di energia, o un maggiore risultato a fronte di un consumo di energia equivalente. Secondo l'AIE, l'efficienza energetica è migliorata di poco oltre l'1% annuo negli scorsi 20 anni, con risultati migliori negli ultimi anni. In pratica, l'accordo siglato nell'ambito della COP28, che include un impegno specifico per l'efficienza, prevede che sia raggiunto un aumento dell'efficienza del 4% all'anno.

A tal fine, è necessaria una politica adeguata che promuova soluzioni più efficienti, quali un migliore isolamento delle abitazioni, una maggiore accessibilità alle auto elettriche, ancora costose, o ai trasporti pubblici. Inoltre, tale politica dovrebbe sostenere l'elettrificazione in senso più ampio. È ragionevole incentivare industrie e individui a passare all'elettrico, perché un macchinario a energia elettrica è comunque più efficiente di uno a combustibili fossili.

La Figura 5 confronta l'efficienza energetica dei sistemi elettrici e a combustibili fossili per diversi prodotti e apparecchiature. I dati si riferiscono al livello di consumo e non tengono conto delle perdite e delle inefficienze (come la dispersione di energia nella rete o il consumo di energia per la conversione del petrolio greggio in prodotti raffinati).

Figura 5: Efficienza energetica ovvero il rapporto tra l'energia in uscita e quella in entrata
 

Fonte: EPA statunitense; AIE; DOE statunitense *Include il 22% derivante dalla frenata rigenerativa.

L’elettrificazione elimina o riduce le perdite di calore

Per un'auto con motore a benzina, l'Environmental Protection Agency statunitense stima che venga utilizzato non più del 16-25% di energia. Per un'auto puramente elettrica, la percentuale è compresa tra l'87% e il 91%, e tra il 65% e il 69% in assenza di frenata rigenerativa.

Nel complesso, l'elettrificazione elimina o riduce notevolmente le dispersioni e le perdite di calore lungo la catena energetica.

Inoltre, nel caso di energia elettrica rinnovabile, ossia non basata su combustibili fossili, si eliminano anche le perdite dovute alla conversione dell'energia primaria in energia secondaria. Tuttavia, non si tratta di una soluzione completamente soddisfacente, poiché i parchi solari ed eolici presentano fattori di capacità inferiori.

Per questo motivo riteniamo che l'elettrificazione e l'efficienza siano leve interconnesse.

Quindi, prendendo in considerazione la transizione energetica nel suo complesso, sarebbe opportuno:

• Elettrificare quanto possibile veicoli di trasporto leggeri e medi, alcuni mezzi pesanti, riscaldamento, ventilazione e aria condizionata, motori e propulsori, calore industriale a bassa e media temperatura;
• Decarbonizzare la produzione di elettricità;
• Fare progressi in aree dove l'elettricità non rappresenta la soluzione: calore industriale ad alta temperatura (più di 850°C), aviazione, trasporto marittimo a lungo raggio, alcuni veicoli pesanti su strada e fuoristrada.

Le principali alternative sono la bioenergia, l'idrogeno e gli elettrocombustibili.

Opportunità per gli investitori

Per gli investitori, questo si traduce in opportunità d’investimento in società capaci di migliorare l'efficienza energetica e nell'ampio ecosistema dell'elettrificazione. Si tratta di tendenze tutt'altro che nuove, ma di carattere strutturale e in grado di garantire una visibilità a lungo termine.