Enablers and barriers of sector-coupled energy systems within planetary boundaries
Questo studio ottimizza il sistema energetico tedesco del 2050 nei settori dell'elettricità, del calore e della mobilità sotto i limiti planetari, rivelando che mentre le soglie di base economica consentono progettazioni sostenibili, limiti più stringenti richiedono la riduzione della domanda di mobilità privata, l'attenuazione degli impatti sull'approvvigionamento di materiali e l'espansione dello stoccaggio di anidride carbonica.
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Immaginate di cercare di progettare l'intero approvvigionamento energetico di una città per l'anno 2050. L'obiettivo non è solo mantenere accese le luci e far muovere le auto, ma farlo senza violare i limiti naturali del pianeta. Gli scienziati sanno da tempo che l'attività umana ha uno "spazio operativo sicuro" per la Terra: un insieme di confini per fattori come il cambiamento climatico, la qualità dell'aria e i cicli dei nutrienti. Se superiamo queste linee, i sistemi che sostengono la vita potrebbero diventare instabili. Per decenni, i pianificatori energetici si sono concentrati quasi esclusivamente su un unico confine: il cambiamento climatico. Hanno lavorato duramente per ridurre le emissioni di carbonio, spesso passando all'eolico, al solare e ai veicoli elettrici. Ma questo approccio ristretto può essere una trappola. Risolvendo il problema del clima, potremmo accidentalmente sovraccaricare altri confini, come la quantità di polvere e particelle nell'aria o l'equilibrio del fosforo nei nostri oceani e nei nostri suoli. La domanda ora è se siamo in grado di progettare un sistema energetico che rimanga entro tutti questi limiti contemporaneamente, o se le stesse tecnologie di cui abbiamo bisogno per salvare il clima porteranno inevitabilmente a infrangere altre regole.
Un team di ricercatori dalla Germania e dalla Svizzera ha deciso di rispondere a questa domanda costruendo un modello digitale del sistema energetico tedesco per l'anno 2050. Non hanno guardato all'elettricità, al riscaldamento o al trasporto isolatamente; hanno invece trattato tutto come una singola macchina interconnessa. Questo approccio, noto come accoppiamento dei settori (sector coupling), riconosce che il modo in cui riscaldiamo le nostre case influenza la quantità di elettricità di cui abbiamo bisogno, e che il modo in cui ci spostiamo influenza i materiali necessari per costruire le nostre infrastrutture. I ricercatori hanno utilizzato un metodo chiamato ottimizzazione matematica, che consiste essenzialmente nel testare milioni di possibili combinazioni di tecnologie per trovare la più economica che rispetti comunque rigidi vincoli ambientali. Hanno incluso l'intero ciclo di vita di ogni tecnologia, dall'estrazione dei metalli necessari per costruire una turbina eolica allo smaltimento delle vecchie batterie, assicurandosi che nessun costo ambientale nascosto venisse tralasciato.
Lo studio ha scoperto che un sistema energetico veramente sostenibile è possibile, ma solo a determinate condizioni. Se i ricercatori avessero assegnato al sistema energetico una quota dello spazio operativo sicuro del pianeta basata sul suo contributo economico — ovvero dando al sistema un budget proporzionale al valore che crea per l'economia — allora sarebbe emerso un design funzionante. In questo scenario, il sistema si basa pesantemente sull'elettrificazione. La maggior parte delle auto diventa elettrica, mentre le case e le fabbriche passano alle pompe di calore elettriche. L'elettricità proviene in gran parte da vento e sole, supportata da centrali a gas naturale che catturano le loro emissioni di carbonio e le stoccano sottoterra. Questo design funziona perché la tecnologia di cattura del carbonio gestisce il confine climatico, mentre la transizione verso l'elettricità e le energie rinnovabili mantiene gli altri impatti abbastanza bassi da restare entro il budget.
Tuttavia, il margine di errore è sottilissimo. Quando i ricercatori hanno ristretto le regole, rendendo il budget ambientale più piccolo per tenere conto delle incertezze dei dati o di diversi modi di calcolare il budget stesso, il sistema ha iniziato a fallire. Il primo limite a essere infranto non è stato il cambiamento climatico, ma il carico di aerosol atmosferico. Questo si riferisce alla quantità di minuscole particelle solide e liquide che fluttuano nell'aria, le quali possono danneggiare la salute umana e alterare i modelli meteorologici. Il secondo limite a essere infranto è stato il ciclo del fosforo, che governa il modo in cui questo nutriente essenziale si muove attraverso il suolo e l'acqua; un eccesso di fosforo può causare zone morte negli oceani e nei laghi. Lo studio ha rivelato che queste violazioni non sono state causate dalle centrali elettriche stesse, ma dal settore della mobilità privata e dalla fornitura di materiali. Costruire i milioni di veicoli e la vasta rete di infrastrutture richieste da un sistema energetico verde richiede così tanto acciaio, alluminio e rame che l'estrazione e la lavorazione di questi materiali sovrastano la capacità del pianeta di assorbire l'inquinamento risultante.
I ricercatori hanno poi testato cosa si potesse fare per risolvere questi problemi. Hanno scoperto che rendere semplicemente i materiali stessi più puliti — migliorando l'efficienza mineraria o riciclando di più — aiutava solo in minima parte. Anche una riduzione del venticinque per cento dell'impatto ambientale della produzione di acciaio, alluminio e rame non era sufficiente per mantenere il sistema entro i limiti più severi. La soluzione che ha funzionato è stata una riduzione della domanda. Se le persone avessero viaggiato meno con auto private, il bisogno di materiali sarebbe diminuito e l'impatto ambientale sarebbe sceso proporzionalmente. Una riduzione del dieci per cento degli spostamenti con auto private è stata sufficiente per riportare il sistema nella zona sicura. Questa riduzione ha anche abbassato il costo totale del sistema energetico e ridotto la necessità di stoccaggio sotterraneo del carbonio, che è un altro potenziale collo di bottiglia.
Lo studio ha inoltre evidenziato il ruolo critico dello stoccaggio del carbonio. Nei design di successo, il sistema si affida alla cattura dell'anidride carbonica dalle centrali a gas naturale e dall'aria, per poi stoccarla in profondamente sottoterra. Senza l'accesso a spazio di stoccaggio sufficiente, il sistema non potrebbe rimanere entro il confine climatico, indipendentemente da quanto fossero pulite le altre tecnologie. I ricercatori hanno osservato che se lo spazio di stoccaggio disponibile fosse stato limitato, il sistema avrebbe dovuto fare ancora più affidamento su vento e sole, il che avrebbe richiesto enormi quantità di nuovi sistemi di accumulo elettrico e più materiali, creando un circolo vizioso che avrebbe potuto spingere il sistema oltre il limite.
In definitiva, la ricerca suggerisce che la strada verso un futuro sostenibile non riguarda solo l'invenzione di migliori tecnologie. Richiede un cambiamento fondamentale nel modo in cui utilizziamo energia e materiali. Sebbene l'elettrificazione e la cattura del carbonio siano strumenti potenti, non sono una bacchetta magica che ci permette di mantenere i nostri attuali livelli di consumo senza conseguenze. Lo studio indica che per restare entro i limiti del pianeta, non dobbiamo solo costruire un nuovo sistema energetico, ma dobbiamo anche ridurre la domanda di viaggi in auto privata e i materiali necessari per costruirla. Le conclusioni servono da promemoria: la transizione verso l'energia verde è un complesso gioco di equilibrio, dove risolvere un problema può facilmente crearne un altro se non si guarda all'intero sistema e alle risorse che consuma.
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