Alex Lidow analizza il costo dell’energia e i suoi punti chiave: costi di generazione, distribuzione, stoccaggio, conversione e utilizzo. Il prezzo di qualsiasi cosa è proporzionale al costo dell’energia necessaria per ottenerla. Anche la benzina versata nei serbatoi dei dipendenti e gli altri tipi di energia necessari durante le numerose fasi di produzione sono i veri costi. Nel suo discorso programmatico al Green Engineering Summit, Alex Lidow, CEO di EPC, ha sottolineato che il costo dell’energia è composto da più componenti e che dobbiamo considerare il costo dell’energia, non il prezzo, quando analizziamo questi costi. Ma quali sono queste componenti?
Secondo Lidow, i costi associati all’energia sono sei: il costo di generazione, il costo di distribuzione e stoccaggio, il costo di conversione, il costo di utilizzo e il costo di pulizia. Quest’ultimo è probabilmente il più significativo. I primi cinque di questi costi sono costi di periodo, il che significa che è molto chiaro quanto costa generare e quanto costa distribuire e immagazzinare. Ma ciò che è fuori periodo, e quindi meno chiaro, è il costo della pulizia derivante dall’uso dell’energia. Basti pensare al riscaldamento globale o alla pulizia dei nostri fiumi e laghi. Il costo della bonifica è un costo differito, che prendiamo in prestito oggi per essere ripagato dalle generazioni future. Il costo della bonifica è quindi un elemento cruciale, come ha spiegato Lidow.
L’energia
La cosa più importante da capire è che l’85% dell’energia che utilizziamo proviene dalla combustione di combustibili fossili. Analizziamo ora il consumo di questa energia. Il grafico della Figura 1 mostra che, ad esempio, la nostra energia viene consumata sotto forma di benzina per auto e aerei, ma anche sotto forma di petrolio per i lubrificanti per la plastica, carbone, a volte per il riscaldamento e a volte per la produzione di acciaio, mentre l’elettricità rappresenta solo il 30% del consumo energetico. Analizzare l’impatto delle nostre azioni sull’ambiente e trovare il modo di migliorarlo è un’opzione che potremmo prendere in considerazione. “Una cosa molto importante è spostare le fonti di energia”, ha detto Lidow. “Per esempio, si può passare dal carbone al gas naturale. Il gas naturale emette meno gas serra per ogni unità di kilowattora di energia prodotta. Possiamo anche passare al nucleare o alle energie rinnovabili. Ognuno di questi ha un’equazione diversa per quanto riguarda il costo complessivo”.
Figura 1: Produzione e consumo di energia
Le fonti rinnovabili, come l’energia solare ed eolica, hanno lo svantaggio di essere costose per immagazzinare energia quando non c’è il sole. L’energia nucleare, invece, ha lo svantaggio di essere costosa da proteggere contro il terrorismo e altri disastri naturali, nonché di essere costosa per la bonifica delle centrali nucleari. Di conseguenza, ognuno di questi fattori deve essere preso in considerazione. “Se si considera l’impatto ambientale, si tratta di un viaggio che possiamo intraprendere, se l’aspetto economico lo consente”, ha detto Lidow. “Possiamo anche spostare l’utilizzo dell’energia. Per esempio, possiamo prendere il gas naturale, il carbone e il petrolio e il modo in cui vengono utilizzati, e possiamo usarli in modo forse più efficiente se fossero sotto forma di elettricità”.
Perché l’elettricità è intrinsecamente più efficiente? L’elettricità è un viaggio di elettroni, che non hanno quasi massa. Pertanto, il trasporto di elettricità è estremamente economico rispetto al trasporto di gas naturale, carbone e petrolio. L’elettricità è quindi un buon modo per spostare l’uso dell’energia verso un metodo più efficiente. Basti pensare alle auto elettriche rispetto a quelle a benzina. Durante la sua presentazione, Lidow ha analizzato l’equazione che la regola. L’equazione comprende produzione, distribuzione, stoccaggio, conversione, consumo e bonifica. Ognuna di queste fasi nel carbone, nel gas naturale e in tutte le fonti rinnovabili è costituita da una serie di componenti con costi variabili. La cosa più importante da considerare è lo stoccaggio. Poiché il sole e il vento non sono accessibili 24 ore su 24, sette giorni su sette, lo stoccaggio è un aspetto cruciale dell’energia eolica e solare. Come ha sottolineato Lidow, “è quindi fondamentale aggiungere l’aspetto dell’accumulo, che è stato uno degli ostacoli principali a un uso più diffuso di questo tipo di fonti energetiche”.
Il carbone, il gas naturale e il petrolio sono estremamente semplici e poco costosi da immagazzinare a densità molto elevate. Di conseguenza, quando il prezzo delle batterie diminuisce, lo stoccaggio diventa più accessibile e la transizione verso le energie rinnovabili più semplice. Tuttavia, come ha sottolineato Lidow, occorre considerare i costi di bonifica. Il carbone pulito non esiste, quindi la bonifica del carbone è molto difficile. Problemi simili esistono per il gas naturale e l’energia nucleare, la cui bonifica, come ha detto Lidow, non è mai stata studiata a fondo. Pertanto, ognuna di queste equazioni deve essere esaminata. Questo cambiamento generalizzato delle fonti energetiche è essenziale per ridurre il riscaldamento globale e l’inquinamento su vasta scala, se si considera l’effetto sull’ambiente. Il settore più adatto per la transizione dal gas naturale/carbone e petrolio all’elettricità è quello dei trasporti, comprese le automobili elettriche.
“In questo cambiamento nell’uso dell’energia, quattro elementi stanno guidando il cambiamento: stoccaggio, batterie, auto elettriche e aerei elettrici”, ha detto Lidow. “L’efficienza con cui riusciamo a convertire l’elettricità è un elemento chiave, che a volte consuma la metà dell’energia stessa. Man mano che diventiamo più intelligenti nel consumo di energia, l’equazione diventerà probabilmente più semplice”. E naturalmente c’è la bonifica e il recupero dell’elettricità, che non dipende solo dal modo in cui è stata generata, se da una centrale a carbone o da un pannello solare, ma anche dall’elettricità stessa, che ha alcuni elementi, come il recupero di tutte le apparecchiature elettriche che abbiamo. Come le ricicliamo? Possiamo semplicemente metterle in discarica? O possiamo trovare modi migliori per riciclare e neutralizzare nel nostro ambiente tutti i gadget elettrici che consideriamo quasi usa e getta?”.
Consumo di elettricità
Circa il 46% di tutta l’elettricità è utilizzata dai motori. I motori dei frigoriferi, dei condizionatori d’aria, dei treni elettrici e dell’automazione industriale sono milioni e miliardi. Questo rappresenta il 46% dell’energia totale utilizzata nel 2011. Con lo sviluppo della tecnologia digitale, si prevede che il consumo di energia e di elettricità aumenterà notevolmente nel corso degli anni. L’efficienza della conversione, soprattutto per quanto riguarda l’utilizzo di energia, è un fattore significativo. Diversi kilovolt di elettricità possono provenire da una linea elettrica aerea. La tensione deve poi essere ridotta per fornire gli 0,8 V necessari ad alimentare la CPU del computer. Ciò richiede molti processi di conversione.
“Nel corso degli anni sono stati compiuti enormi progressi nell’efficienza della conversione”, ha dichiarato Lidow. “Quando ho iniziato a lavorare in questo campo, alla fine degli anni ’70, il transistor bipolare era l’elemento chiave della conversione di potenza, con diversi modi di convertire l’elettricità da una tensione all’altra. Tuttavia, con l’arrivo del MOSFET e del suo cugino, l’IGBT, ho avuto il grande onore di essere presente all’inizio dello sviluppo del MOSFET e sono stato uno dei pionieri in questo settore. E credo che sia ormai assodato che il 30%-40% dell’energia elettrica utilizzata è stata risparmiata passando dai bipolari ai MOSFET. La maggiore velocità, i costi di produzione più bassi, le dimensioni più ridotte e le resistenze più basse: tutti questi elementi hanno contribuito a migliorare l’utilizzo dell’elettricità, ma anche a cambiare le topologie dai vecchi alimentatori lineari agli alimentatori a commutazione ad alta efficienza, e tutti questi elementi hanno portato a enormi risparmi”.
Ora stiamo vivendo un’altra rivoluzione: la transizione dal silicio ai semiconduttori ad ampio bandgap come il nitruro di gallio e il carburo di silicio. Lidow ha affermato che GaN e SiC sostituiranno gradualmente i MOSFET e gli IGBT nei nuovi impieghi, arrivando a rappresentare il 100% di tutte le nuove applicazioni nei prossimi anni. Lidow ha affermato che grazie al GaN è possibile risparmiare una quantità significativa di energia. Innanzitutto, possiamo risparmiare circa il 30% dell’energia utilizzata dagli alimentatori. Inoltre, circa il 20% dell’energia prodotta dai pannelli solari può essere conservata con l’uso del GaN, che rende i pannelli solari molto più efficienti. È inoltre possibile conservare un ulteriore 10% di tutta l’elettricità utilizzata per il movimento.
Figura 2: Consumo di elettricità
Si stima quindi un enorme potenziale di risparmio di oltre 1.000 TWh, pari a quasi l’8% dell’energia totale consumata oggi per l’alimentazione. Le auto elettriche sono un metodo spesso citato per convertire il petrolio in energia. La Figura 2 illustra l’utilizzo globale di energia nel 2012, il 51% del quale è destinato a scopi industriali. L’equivalente di 2.300 megatoni di petrolio è utilizzato per i trasporti, che rappresentano il 26,6% del totale (1 megatone di petrolio corrisponde a 11,63 TWh). “Tuttavia, il dato fondamentale è che i trasporti consumano 26.750 TWh all’anno, di cui il 70% è costituito da veicoli stradali, per un totale di 18.700 TWh, e meno dell’1% di questi veicoli stradali sono elettrici”, ha dichiarato Lidow. “Se il mondo si convertisse al trasporto elettrico, ci sarebbe un’enorme opportunità per il mercato”. I veicoli elettrici a batteria utilizzano circa un terzo dell’energia rispetto ai veicoli con motore a combustione interna, il che rappresenta un notevole risparmio energetico. Se tutte le automobili fossero convertite all’elettrico, si risparmierebbero circa 12.000 TWh all’anno. Ora, il GaN o il SiC possono alimentare i motori di queste automobili. Il vantaggio rispetto al silicio è di circa il 10-15%. Pertanto, il risparmio energetico totale annuo potenziale varia da 100 a 1.800 TWh.
Figura 3: E i veicoli elettrici?Conclusioni
Che dire del crescente consumo di energia nel mondo? “Ho iniziato questo viaggio pensando che avrei fatto qualcosa di grande per il mondo migliorando l’efficienza energetica; così tutti noi avremmo consumato meno energia e inquinato meno l’ambiente”, ha detto Lidow. “Ma poi ho capito che era un mito. E il mito, l’idea che voglio sfatare, è che non si può ridurre il consumo energetico migliorando l’efficienza energetica. Al contrario, probabilmente si crea una maggiore domanda di energia”. Lidow ha citato un esempio: Supponiamo che in un anno abbiate utilizzato 1.000 dollari di elettricità per alimentare la vostra auto. È molto. E supponiamo che l’auto sia più efficiente del 10%. Quindi, invece di 1.000 dollari, avete speso 900 dollari per alimentare la vostra auto. Cosa farete con gli altri 100 dollari? Li spenderete per qualcosa che ha un suo costo in ore di energia. Quindi, alla fine, si aumenta il tenore di vita, si aggiungono altri 100 dollari da spendere, ma non si riduce il consumo di energia. Esaminiamo il consumo di energia. Secondo le previsioni di Lidow per il 2018, il consumo di energia è destinato ad aumentare, così come i settori dei trasporti, commerciale, residenziale e industriale. Ne consegue un aumento sostanziale della domanda, conseguenza dell’aumento del tenore di vita globale.
“Ho detto all’inizio che il costo dell’energia influisce su tutti gli altri costi”, ha affermato Lidow. “Pertanto, riducendo il costo reale dell’energia, le persone possono vivere meglio. Il nostro problema è ridurre il costo della vita o aumentare il tenore di vita senza distruggere l’ambiente”. Il fattore trainante è il costo dell’energia, che è fortemente falsato dalle spese di pulizia fuori periodo. Per prendere buone decisioni per il mondo, come ha sostenuto Lidow, dobbiamo incorporare il costo della bonifica nel costo dell’uso dell’energia. Questo cambiamento economico spingerà le scelte energetiche verso l’opzione più responsabile dal punto di vista ambientale e sociale. Lidow ha dichiarato: “Il miglioramento del tenore di vita spinge all’uso di nuove energie. L’efficienza energetica può aumentare direttamente il tenore di vita globale e l’arrivo dei semiconduttori a banda larga, in particolare del GaN, contribuirà in modo significativo”.
