Una crisi di exergia

Nel post del Rapporto sull’arcidruido della scorsa settimana, ho parlato della differenza tra energia ed exergia, o in termini un po’ meno gergali, tra la quantità di energia e la concentrazione di energia. È difficile pensare a una differenza più critica da tenere a mente se si cerca di dare un senso alla situazione della moderna civiltà industriale, ma è ancora più difficile pensare a un punto che spesso non viene colto nella spirale crescente dei dibattiti su questa situazione.

Il principio di base è abbastanza semplice e va ripetuto in questa sede: la quantità di lavoro che si ottiene da una determinata fonte di energia dipende non dalla quantità di energia presente nella fonte, ma dalla differenza di concentrazione energetica tra la fonte di energia e l’ambiente. Questa è la termodinamica di base, quella che tutti gli studenti delle scuole superiori imparavano nelle lezioni di fisica in quei tempi lontani in cui gli studenti americani frequentavano corsi di fisica degni di questo nome. Se si mette in pratica questo principio, però, i risultati sono spesso molto controintuitivi; questo probabilmente ha più di una parte di responsabilità nel fatto che anche gli scienziati professionisti non li colgono e, di conseguenza, sbagliano le previsioni.

L’attuale discussione sul cambiamento climatico antropogenico offre un buon esempio. Le fabbriche di propaganda di tutti gli schieramenti hanno sparso una grande quantità di fertilizzante di alta qualità su questi temi, ma alla base di tutto ciò c’è il fatto, tollerabilmente ben documentato, che ci troviamo nel bel mezzo di un cambiamento significativo del clima globale, che si concentra nella regione polare settentrionale. Le cause di questo cambiamento non sono affatto risolte, ma sembra un po’ sciocco insistere, come fanno alcuni, sul fatto che lo scarico massiccio di gas serra nell’atmosfera da parte dell’umanità non possa avere nulla a che fare con esso – o, se è per questo, che sia una buona idea continuare a scaricare quei gas in un sistema atmosferico che potrebbe già essere pericolosamente instabile per ragioni proprie.

Tuttavia, per il prossimo decennio o più, è molto probabile che questa cattiva idea rimanga una pratica standard in tutto il mondo, e uno dei motivi è che gli attivisti del cambiamento climatico si sono dati la zappa sui piedi da soli. No, non sto parlando della recente raffica di rivelazioni secondo cui alcuni scienziati dell’IPCC avrebbero manipolato i fatti per rendere più mediatico un caso valido ma poco drammatico. Né mi riferisco all’imbarazzante dettaglio che gli scenari dell’IPCC presuppongono, in barba a tutte le evidenze geologiche, che il mondo possa continuare ad aumentare la quantità di combustibili fossili estratti e bruciati fino al 2100. Il problema va oltre, fino alla decisione di definire la crisi come “riscaldamento globale”. Sembra abbastanza sensato – dopo tutto, stiamo parlando di un aumento della quantità totale di calore nell’atmosfera terrestre – ma, qui come altrove, la fissazione sulla quantità manca il punto cruciale della questione.

In genere non sono un fan di Thomas Friedman, ma nel suo libro Hot, Flat, and Crowded ha fatto centro quando ha sottolineato che quello che stiamo affrontando non è il riscaldamento globale, ma il “global weirding”: non un semplice aumento della temperatura, ma un aumento di eventi meteorologici inaspettati e dirompenti. Quando l’atmosfera si riscalda, l’effetto più importante di questo spostamento non è il semplice aumento della temperatura, ma piuttosto l’aumento della differenza di concentrazione di energia tra l’atmosfera e gli oceani. Le proprietà termiche dell’acqua fanno sì che i mari si riscaldino molto più lentamente dell’aria e della superficie terrestre, per cui anche una variazione abbastanza modesta della quantità di calore provoca una variazione molto più significativa dell’exergia. Ancora una volta, è l’exergia piuttosto che l’energia a determinare la quantità di lavoro che un sistema può compiere, e il lavoro che l’atmosfera terrestre compie è chiamato “tempo”. Quindi il risultato più visibile di un aumento relativamente rapido della concentrazione di calore nell’atmosfera non è un riscaldamento generalizzato. Si tratta piuttosto di un aumento delle condizioni meteorologiche estreme su entrambe le estremità della scala di temperatura.

Questo non è un punto nuovo. È stato ripetuto da diversi scienziati e, cosa interessante, anche da grandi compagnie di assicurazione. Munich Re, per esempio, ha sottolineato qualche anno fa che, al ritmo attuale di aumento, il costo annuale dei disastri naturali causati dal cambiamento climatico globale sarà pari al prodotto interno lordo del mondo ben prima della fine del XXI secolo. Se i sostenitori del clima avessero preso questo argomento come tema centrale, le tempeste anomale di quest’inverno nella metà orientale degli Stati Uniti avrebbero fornito molto materiale per il loro mulino; persino gli scettici più accaniti, mentre spalavano la neve dai loro vialetti per la quarta o quinta volta di fila, avrebbero potuto iniziare a chiedersi se c’era qualcosa di vero nell’affermazione che le emissioni di gas a effetto serra stavano causando l’impennata del tempo. Invece, sedotti dalla fissazione della nostra cultura per la quantità, i sostenitori del clima hanno definito il problema solo come un futuro di troppo calore, e quegli stessi scettici, che spalano quegli stessi vialetti, stanno alzando gli occhi e desiderano che un po’ di quel riscaldamento globale si manifesti per aiutarli.

Probabilmente è troppo tardi per gli attivisti del cambiamento climatico per cambiare i loro punti di vista da riscaldamento globale a stranezza globale ed essere creduti da chiunque non sia già convinto, e quindi probabilmente dovremo aspettare il primo disastro climatico globale davvero grave prima che vengano presi dei provvedimenti significativi. (Visti gli ultimi rapporti dalla calotta glaciale della Groenlandia, questo potrebbe essere un futuro non troppo lontano nel tempo, e tutti i miei lettori che vivono a una distanza di circa 15 metri dal livello del mare potrebbero trovare consigliabile trasferirsi su un terreno più alto). Tuttavia, la stessa confusione tra energia ed exergia ha un impatto sulla crisi del nostro tempo in altri modi, alcuni dei quali sono al centro dei temi che questo blog ha esplorato negli ultimi mesi.

Uno dei modi più comuni per evitare di pensare alla nostra situazione, come ho detto la settimana scorsa, è quello di citare la quantità di energia che arriva sulla Terra attraverso la luce del sole ogni giorno e notare che è molto più grande della quantità di energia che la nostra civiltà utilizza in un anno. Questo è abbastanza vero, ma non coglie il punto: l’energia contenuta nella luce solare ha una quantità molto modesta di exergia nel momento in cui attraversa 93 milioni di chilometri di spazio per arrivare a noi, e può quindi svolgere solo una quantità modesta di lavoro. A rigor di termini, non ci troviamo di fronte a una crisi energetica dovuta all’esaurimento dei combustibili fossili; ci troviamo invece di fronte a una crisi di exergia, ossia a una grave carenza di energia in forme altamente concentrate. Questo è un problema, perché quasi tutti i dettagli della vita quotidiana in una moderna società industriale dipendono dall’utilizzo di fonti energetiche altamente concentrate.

I lettori di vecchia data di questo blog ricorderanno che definire qualcosa un problema ha alcune precise implicazioni. Un problema, almeno potenzialmente, ha una soluzione; è questo che lo differenzia da una situazione difficile, che non può essere risolta e con cui bisogna semplicemente convivere. L’esaurimento dei combustibili fossili e l’assenza di un’abbondante sostituzione ad alta energia in questo piccolo angolo del cosmo sono un problema. La dipendenza da questi combustibili della maggior parte delle attività della vita quotidiana nel mondo industriale è un problema, perché molte di queste attività non hanno in realtà bisogno di una quantità di energia simile a quella che impieghiamo.

Ecco un esempio. Quasi tutte le case del mondo industriale hanno l’acqua calda alla spina. Non si tratta affatto di un lusso inutile; l’abitudine contemporanea di lavare i piatti, i vestiti e i corpi con grandi quantità di acqua calda e sapone ha eliminato intere categorie di malattie che affliggevano i nostri antenati non molto tempo fa. Una frazione molto grande di queste case ottiene l’acqua calda bruciando combustibili fossili, sia direttamente nello scaldabagno, sia in una centrale elettrica che usa il calore per generare l’elettricità che serve per il riscaldamento. Una società che dispone di ampie scorte di combustibili fossili ad alta energia può permettersi di farlo; una società che sta esaurendo l’exergia rischia di avere sempre più problemi.

C’è però un punto cruciale che non viene spesso riconosciuto: non ci vuole molta energia per riscaldare un serbatoio pieno d’acqua dalla temperatura ambiente a 120° circa. La stessa cosa può essere fatta in modo molto efficace da fonti di energia non molto concentrate, come la luce del sole.

Ecco il riscaldatore solare di acqua calda.

Questa è probabilmente la tecnologia solare più matura e di successo che abbiamo attualmente. Il processo è semplice: uno dei diversi tipi di collettori raccoglie il calore del sole e lo trasmette all’acqua, nei luoghi in cui non ci sono temperature rigide, o a una soluzione antigelo nei luoghi in cui ci sono. In un sistema ad acqua, l’acqua calda passa dal collettore a un serbatoio isolato e infine al rubinetto dell’acqua calda; in un sistema antigelo, l’antigelo circola attraverso uno scambiatore di calore che passa il calore all’acqua, che poi va in un serbatoio isolato ad aspettare il suo momento di gloria. Nella maggior parte degli Stati Uniti, un impianto solare per l’acqua calda ben progettato riduce del 70% il consumo energetico di una casa per riscaldare l’acqua; nella Sun Belt, non è affatto raro che un impianto di questo tipo renda superfluo qualsiasi altro scaldacqua.

I miei lettori avranno sicuramente già capito che l’installazione di un sistema solare per l’acqua calda nelle loro case non salverà il mondo. Ciò che farà, invece, è prendere parte del lavoro svolto dalle fonti energetiche ad alta concentrazione – la maggior parte delle quali si sta rapidamente esaurendo e si può prevedere che diventerà più costosa in termini reali nei decenni a venire – e cederlo a una fonte di energia prontamente disponibile a bassa concentrazione che, tra l’altro, si dà il caso sia gratuita. Si tratta di un evidente vantaggio pratico per gli abitanti della casa, ma anche di un vantaggio collettivo per la comunità e la società, dal momento che le scorte rimanenti di combustibili fossili ad alta energia possono essere liberate per usi più necessari o, eventualmente, lasciate nel terreno, dove probabilmente dovrebbero essere.

È curioso, per non usare una parola più forte, che un passo così eminentemente pratico come l’installazione di sistemi solari per l’acqua calda abbia ricevuto così poca attenzione nelle comunità del picco del petrolio e del cambiamento climatico. È ancora più curioso perché il governo degli Stati Uniti, che spesso sembra incapace di affrontare un problema senza fare del suo meglio per peggiorarlo, ha effettivamente fatto qualcosa di utile per cambiare: ci sono benefici fiscali federali molto consistenti sul reddito per l’installazione di un sistema residenziale di acqua calda solare. Perché allora gli scaldacqua solari non sono sbocciati come margherite sulle case di tutto il Paese? Perché gli attivisti non si sono impegnati per definire questa tecnologia collaudata come una parte di una risposta significativa alla crisi del nostro tempo?

È una domanda interessante alla quale non ho una risposta precisa. In parte, credo che sia legata allo strano scollamento tra credenze e azioni che pervade la parte apocalittica della cultura contemporanea. Del numero considerevole di persone che nell’America di oggi dicono di credere che il mondo finirà nel 2012, per esempio, quanti hanno smesso di mettere soldi nei loro conti pensionistici? A giudicare dalle poche prove che sono riuscito a raccogliere, non sono molti. Allo stesso modo, tra le persone che affermano di riconoscere che le stravaganti abitudini odierne di utilizzo dell’energia sono possibili solo grazie a un eccesso di combustibili fossili abbondanti e a basso costo, e che scompariranno con l’esaurimento dei combustibili fossili, coloro che stanno adottando misure anche basilari per prepararsi a un futuro di scarsità e di sconvolgimenti socioeconomici rappresentano una frazione scomodamente piccola. È difficile immaginare i passeggeri di una nave che sta affondando che guardano oltre la fiancata per vedere l’acqua che sale e tornano a giocare a shuffleboard sul ponte, ma un comportamento simile è tutt’altro che raro al giorno d’oggi.

Tuttavia, credo che parte del problema sia la stessa fissazione sulla quantità di cui ho già parlato. Gli scaldacqua solari non producono, né risparmiano, una grande quantità di energia. Il riscaldamento dell’acqua consuma circa il 15% della bolletta energetica di un’abitazione media, quindi un sistema solare per la produzione di acqua calda che ne sostituisca il 70% rappresenterà poco più del 10% del consumo energetico dell’abitazione. (Questo è comunque sufficiente a ripagare la maggior parte dei sistemi solari per l’acqua calda installati professionalmente in 3-7 anni). Se ogni casa in America montasse un impianto solare per la produzione di acqua calda sul tetto, l’impatto sul consumo energetico nazionale totale sarebbe notevole, ma in termini di quantità non sarebbe enorme.

Tuttavia, questo non tiene conto di almeno tre punti importanti. In primo luogo, ovviamente, l’installazione di un sistema solare per l’acqua calda può essere un tassello di un programma più ampio di conservazione dell’energia con un impatto molto maggiore. Con un impianto solare per l’acqua calda si può ridurre del 10% il consumo di energia domestica, un altro 10% con l’isolamento, le guarnizioni e simili, un altro 10% con un assortimento di altre semplici tecnologie per il risparmio energetico (qualsiasi libro di risparmio energetico degli anni Settanta ha molti suggerimenti) e un altro 20% con cambiamenti nello stile di vita, e la vostra casa se la caverà con la metà dell’energia concentrata che usa ora. Se anche solo una grande minoranza di case in America adottasse queste misure, o altre con effetti simili, l’effetto sull’uso nazionale di energia sarebbe davvero notevole.

In secondo luogo, c’è una differenza molto grande e poco apprezzata tra usi energetici essenziali e non essenziali, che molti di noi impareranno a riconoscere nei prossimi anni. Gran parte dell’energia utilizzata oggi in America non è essenziale – si pensi per un momento a tutta l’energia attualmente dedicata all’industria del turismo, che oggi rappresenta un settore molto consistente dell’economia statunitense e che potrebbe essere chiusa domani senza alcun impatto, se non sulle liste di disoccupazione – e gran parte di questa energia scomparirà man mano che l’America scivolerà lungo la curva della discesa energetica verso il suo status prossimo futuro di Paese del Terzo Mondo. A prescindere dal fatto che l’acqua calda sia o meno strettamente essenziale, i suoi benefici pratici diretti in termini di salute e comfort la rendono molto più vicina al nucleo centrale, e questo rende particolarmente importante trovare modi a basso consumo energetico per fornirla.

In terzo luogo, come ho già suggerito, ci troviamo di fronte a una carenza di exergia piuttosto che a una carenza di energia. Questo non rende la nostra situazione meno grave, sia chiaro. Si può affermare con forza che l’energia disponibile pone un limite massimo alla popolazione umana del pianeta; man mano che le nostre scorte di energia diminuiscono, diminuisce anche la popolazione umana, e a questo punto è fin troppo probabile che la maggior parte di questa riduzione avvenga in modo tradizionale, attraverso quei quattro sgraditi uomini a cavallo. Significa però che gli individui, le famiglie e le comunità che adottano misure per soddisfare il maggior numero possibile di bisogni energetici utilizzando fonti di energia a basso consumo energetico possono avere un impatto sproporzionato sul modo in cui si svilupperà il futuro.

Ho sostenuto altrove che il paradosso di Jevons – la regola secondo cui l’aumento dell’efficienza nell’uso di una risorsa tende ad aumentarne l’uso – si applica solo quando il costo è l’unica restrizione all’uso della risorsa. Quando l’uso di una risorsa è in declino a causa di fattori esterni all’economia, come i limiti geologici, i guadagni di efficienza riducono l’impatto economico e sociale della scarsità e guadagnano tempo per un declino più graduale. Il riscaldamento solare dell’acqua è un esempio di tecnologia che può aiutare le nostre comunità e società a sfruttare in modo costruttivo questo effetto, ed è anche una tecnologia che può essere utilizzata dai singoli individui fin da ora. Nei prossimi post parlerò di altre opzioni dello stesso tipo.