Clima e combustibili fossili nel XXI secolo
Di clima e di combustibili fossili se ne è parlato durante la recente summer school dell'ETH appena conclusa e nell'associata serata pubblica dello scorso 10 settembre al Centro Stefano Franscini – Monte Verità di Ascona. La serata pubblica ha avuto come relatori Marco Gaia, fisico dell'atmosfera di MeteoSvizzera e Marco Mazzotti, professore di ingegneria dei processi presso l'ETH, milanese da 20 anni trapiantato a Zurigo. Il post odierno ne spiega e sintetizza i contenuti.
Viviamo, dunque emettiamo
In questi giorni di ripresa dell’anno scolastico mi ritorna alla mente quanto mi raccontava mia nonna ricordando quando da bambina andava a scuola. Un aneddoto mi aveva particolarmente colpito: come tutti i suoi compagni di classe anche lei, d’inverno, portava una fascinetta di legna per contribuire ad alimentare la stufa che dava un po’ di tepore all’aula. Erano i primi decenni del ‘900 e da allora tante cose sono cambiate. Non solo a scuola. Bensì un po’ in tutti gli ambiti della nostra società: viviamo in case comode e riscaldate; i mezzi di trasporto hanno abbattuto le distanze e ci permettono di spostare merci e persone velocemente da un punto all’altro del globo; tramite computer, telefoni e numerosi altri dispositivi elettrici comunichiamo in tutto il mondo in tempo reale (o quasi); i processi produttivi ci mettono a disposizione cibi, medicinali, vestiti e elettrodomestici neanche immaginati dai nostri nonni. Tutto ciò è stato possibile grazie alle innumerevoli ricerche in campo tecnico-scientifico svolte da ricercatori, tecnici, ingegneri, medici, … Ma anche grazie all’uso di combustibili in grado di fornire l’energia necessaria a realizzare ciò che questi brillanti scienziati hanno sviluppato. Perché senza energia nulla più funziona nella nostra società: non potremmo né scaldare, né raffreddare le nostre case; fine dei viaggi di studio o di shopping, d’affari o di vacanza; nessuna illuminazione nelle sale operatorie degli ospedali; i processi industriali si fermerebbero; i telefonini non squillerebbero più.
A partire dalla rivoluzione industriale l’uomo, per produrre l’energia necessaria ai suoi scopi, ha fatto ampio uso dei combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale) perché molto versatili e con alta densità energetica. In altre parole, ce li possiamo portare appresso e quando vengono bruciati forniscono tantissima energia per unità di massa. È questo il segreto del loro successo. Ma anche la caratteristica di produrre al termine del processo di combustione dell’anidride carbonica, il cosiddetto CO2. Un prodotto di scarto che non si può evitare. Che ci piaccia o no, ogni combustione di carbone, petrolio o gas naturale produce emissioni di anidride carbonica. Così è la natura, non possiamo farci niente. Per vivere abbiamo bisogno di energia. Se la prendiamo dai combustibili fossili, emettiamo. Viviamo, dunque emettiamo.
Gli effetti dell’anidride carbonica, già noti nell’800
Joseph Fourier, Svante Arrhenius, John Tyndall e Eunice Foote sono probabilmente sconosciuti ai più. Tutti e quattro effettuarono nell’800 ricerche in merito ai meccanismi che regolano gli scambi energetici nell’atmosfera. Passo dopo passo, ricerca dopo ricerca, semplicemente applicando basilari leggi della fisica la comunità scientifica capì già allora che l’anidride carbonica, benché presente in minima parte nell’atmosfera (è circa lo 0,04 % del volume) gioca un ruolo non trascurabile nel determinare la temperatura dell’atmosfera. Più le concentrazioni di anidride carbonica sono elevate e più la temperatura dell’atmosfera vicino al suolo aumenta. L’effetto serra non è una scoperta scientifica recente. È da più di 100 anni che è noto.
A quell’epoca non si disponevano ancora dei raffinati strumenti moderni in grado di misurare con precisione sia la temperatura dell’aria, sia le concentrazioni di anidride carbonica nell’atmosfera. Oggi dopo più di un secolo disponiamo di questi strumenti e il risultato delle loro misure è chiaro. La concentrazione di anidride carbonica è aumentata dai 280 ppm dell’epoca preindustriale ai più di 400 ppm attuali e la tendenza alla crescita non accenna a diminuire (1 ppm indica che su 1 milione di molecole presenti nell’aria 1 è di anidride carbonica). La temperatura annuale media è aumentata, sempre nel medesimo periodo, di circa 1 °C a livello globale e di circa 2 °C in Svizzera, con un trend nell’aumento che non dà al momento segno di voler diminuire. Rispetto ai tempi di Fourier, Arrhenius, Tyndall e Foote le conoscenze climatologiche si sono evolute. Oggi comprendiamo molto meglio numerosi fenomeni e interazioni che avvengono nell’atmosfera, rispetto alla grossolana conoscenza di allora. Ciò nonostante il ragionamento di base fatto più di 100 anni fa è tutt’ora valido: aumentando la concentrazione di anidride carbonica, si va a incidere sul bilancio energetico dell’atmosfera provocandone il suo riscaldamento. L’anidride carbonica non è l’unico gas ad avere questa proprietà. Vi sono altri gas ad effetto serra, ma essa è quella che riveste il ruolo principale. In questi anni sono state numerose le ipotesi e le teorie formulate per spiegare il riscaldamento globale in atto. Ma l’unica che oggigiorno è in grado di spiegarlo in modo soddisfacente, nelle sue diverse sfaccettature, è ancora solo quella che fa riferimento all’effetto serra indotto dai gas come l’anidride carbonica emessa dall’uomo.
Il clima del futuro, oggi nelle nostre mani
Una volta arrivata nell’atmosfera l’anidride carbonica vi rimane per molto tempo, nell’ordine dei centinaia d’anni. In altre parole abbiamo ancora fra noi l’anidride carbonica emessa dai nostri nonni e i nostri nipoti convivranno con quella che noi attualmente emettiamo. Nelle simulazioni di come sarà il clima del futuro, sia su scala globale sia su scala regionale, la durata di vita dell’anidride carbonica nell’atmosfera è uno dei numerosi fattori che viene tenuto in considerazione. I risultati dei modelli climatologici mostrano chiaramente il clima che dobbiamo attenderci nei prossimi 50 – 100 anni, in funzione dei quantitativi di gas ad effetto serra che saranno emessi e finiranno nell’atmosfera. Con riferimento alla Svizzera lo studio più completo a disposizione sono gli scenari climatici CH2018 pubblicati lo scorso anno dal National Center per Climate Services (NCCS), l’organo della Confederazione deputato a coordinare lo sviluppo dei servizi climatici in Svizzera. Il quadro che emerge è chiaro: siamo incamminati verso un clima caratterizzato da temperature in ulteriore rialzo in tutte le stagioni, estati più asciutte, precipitazioni più intense e inverni più poveri di neve rispetto a oggi.
Dagli scenari climatici CH2018 emerge anche una chiara indicazione di come il clima futuro sia oggi nelle nostre mani. Infatti, l’intensità e l’ampiezza dei cambiamenti dipenderanno dai quantitativi di gas ad effetto serra che andremo ad emettere nei prossimi anni. Ad esempio, senza provvedimenti efficaci di protezione del clima, verso fine del secolo in corso le temperature estive a Sud delle Alpi aumenteranno di circa 4,1 – 7,0 °C rispetto a oggi. Con dei provvedimenti efficaci potremo limitare questo aumento a 0,7 – 2,4 °C. Proprio a causa del lungo tempo di permanenza dell’anidride carbonica nell’atmosfera degli ulteriori cambiamenti sono oramai inevitabili e, indipendentemente dalle misure di protezione del clima che adotteremo, li dovremo gestire. Però siamo ancora in tempo per evitare che tali cambiamenti assumano delle dimensioni ingestibili. A patto di tagliare drasticamente le emissioni di gas ad effetto serra.
Le tecnologie per decarbonizzare la nostra società
Nella sua seduta di mercoledì 28 agosto il Consiglio federale ha deciso di perseguire l’obiettivo di ottenere entro il 2050 un saldo netto delle emissioni di gas ad effetto serra pari a zero. Un obiettivo molto ambizioso, ma coerente con le indicazioni che arrivano dagli studi climatologici. Per soddisfare quando concordato a Parigi nel 2015, vale a dire evitare un riscaldamento globale superiore a +2 °C rispetto all’epoca preindustriale è indispensabile agire su più fronti per ridurre a zero le emissioni di gas ad effetto serra. Accanto alle misure tradizionali e note da tempo, come l’uso generalizzato delle fonti d’energia rinnovabili o i provvedimenti per migliorare l’efficienza energetica, sta diventando sempre più intensa la discussione attorno alle cosiddette tecnologie a emissione negative o tecnologie per la rimozione del carbonio. Vi sono diversi filoni di queste tecnologie, che lavorano su processi differenti, ma tutte volte a contribuire alla de-carbonizzazione della nostra società. Alcune sfruttano reazioni chimiche per estrarre l’anidride carbonica nell’aria e pomparla poi nel sottosuolo. Altre sfruttano la cattura l’anidride carbonica tramite le piante che poi vengono bruciate; il CO2 così prodotto catturato e di nuovo stoccato nel sottosuolo. Al momento queste tecnologie non sono ancora disponibili in una versione che permetta di essere impiegate in modo operazionale su vasta scala. Molte sono ancora allo stadio di impianti pilota. Per avere un impatto sui cambiamenti climatici sarà necessario svilupparle in modo notevole e alla svelta. Esse non possono però sostituirsi alle misure volte ad una riduzione immediata e massiccia delle emissioni di gas ad effetto serra. Proseguire nella ricerca tecnico-scientifica fa però senso, affinché esse – se matureranno come sperato – possano andare ad arricchire il pacchetto di provvedimenti per de-carbonizzare la nostra società. 50 anni fa l’uomo arrivò sulla Luna, grazie ad un decennio di intense ricerche scientifiche e innovativi sviluppi tecnologici. Uno sforzo simile è ora necessario per continuare a rimanere sulla Terra.
Viviamo, dunque emettiamo
In questi giorni di ripresa dell’anno scolastico mi ritorna alla mente quanto mi raccontava mia nonna ricordando quando da bambina andava a scuola. Un aneddoto mi aveva particolarmente colpito: come tutti i suoi compagni di classe anche lei, d’inverno, portava una fascinetta di legna per contribuire ad alimentare la stufa che dava un po’ di tepore all’aula. Erano i primi decenni del ‘900 e da allora tante cose sono cambiate. Non solo a scuola. Bensì un po’ in tutti gli ambiti della nostra società: viviamo in case comode e riscaldate; i mezzi di trasporto hanno abbattuto le distanze e ci permettono di spostare merci e persone velocemente da un punto all’altro del globo; tramite computer, telefoni e numerosi altri dispositivi elettrici comunichiamo in tutto il mondo in tempo reale (o quasi); i processi produttivi ci mettono a disposizione cibi, medicinali, vestiti e elettrodomestici neanche immaginati dai nostri nonni. Tutto ciò è stato possibile grazie alle innumerevoli ricerche in campo tecnico-scientifico svolte da ricercatori, tecnici, ingegneri, medici, … Ma anche grazie all’uso di combustibili in grado di fornire l’energia necessaria a realizzare ciò che questi brillanti scienziati hanno sviluppato. Perché senza energia nulla più funziona nella nostra società: non potremmo né scaldare, né raffreddare le nostre case; fine dei viaggi di studio o di shopping, d’affari o di vacanza; nessuna illuminazione nelle sale operatorie degli ospedali; i processi industriali si fermerebbero; i telefonini non squillerebbero più.
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| L’energia, in una delle sue varie forme, è alla base della nostra società e del nostro benessere. |
A partire dalla rivoluzione industriale l’uomo, per produrre l’energia necessaria ai suoi scopi, ha fatto ampio uso dei combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale) perché molto versatili e con alta densità energetica. In altre parole, ce li possiamo portare appresso e quando vengono bruciati forniscono tantissima energia per unità di massa. È questo il segreto del loro successo. Ma anche la caratteristica di produrre al termine del processo di combustione dell’anidride carbonica, il cosiddetto CO2. Un prodotto di scarto che non si può evitare. Che ci piaccia o no, ogni combustione di carbone, petrolio o gas naturale produce emissioni di anidride carbonica. Così è la natura, non possiamo farci niente. Per vivere abbiamo bisogno di energia. Se la prendiamo dai combustibili fossili, emettiamo. Viviamo, dunque emettiamo.
Gli effetti dell’anidride carbonica, già noti nell’800
Joseph Fourier, Svante Arrhenius, John Tyndall e Eunice Foote sono probabilmente sconosciuti ai più. Tutti e quattro effettuarono nell’800 ricerche in merito ai meccanismi che regolano gli scambi energetici nell’atmosfera. Passo dopo passo, ricerca dopo ricerca, semplicemente applicando basilari leggi della fisica la comunità scientifica capì già allora che l’anidride carbonica, benché presente in minima parte nell’atmosfera (è circa lo 0,04 % del volume) gioca un ruolo non trascurabile nel determinare la temperatura dell’atmosfera. Più le concentrazioni di anidride carbonica sono elevate e più la temperatura dell’atmosfera vicino al suolo aumenta. L’effetto serra non è una scoperta scientifica recente. È da più di 100 anni che è noto.
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| Evoluzione della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera (Fonte: NOAA). |
A quell’epoca non si disponevano ancora dei raffinati strumenti moderni in grado di misurare con precisione sia la temperatura dell’aria, sia le concentrazioni di anidride carbonica nell’atmosfera. Oggi dopo più di un secolo disponiamo di questi strumenti e il risultato delle loro misure è chiaro. La concentrazione di anidride carbonica è aumentata dai 280 ppm dell’epoca preindustriale ai più di 400 ppm attuali e la tendenza alla crescita non accenna a diminuire (1 ppm indica che su 1 milione di molecole presenti nell’aria 1 è di anidride carbonica). La temperatura annuale media è aumentata, sempre nel medesimo periodo, di circa 1 °C a livello globale e di circa 2 °C in Svizzera, con un trend nell’aumento che non dà al momento segno di voler diminuire. Rispetto ai tempi di Fourier, Arrhenius, Tyndall e Foote le conoscenze climatologiche si sono evolute. Oggi comprendiamo molto meglio numerosi fenomeni e interazioni che avvengono nell’atmosfera, rispetto alla grossolana conoscenza di allora. Ciò nonostante il ragionamento di base fatto più di 100 anni fa è tutt’ora valido: aumentando la concentrazione di anidride carbonica, si va a incidere sul bilancio energetico dell’atmosfera provocandone il suo riscaldamento. L’anidride carbonica non è l’unico gas ad avere questa proprietà. Vi sono altri gas ad effetto serra, ma essa è quella che riveste il ruolo principale. In questi anni sono state numerose le ipotesi e le teorie formulate per spiegare il riscaldamento globale in atto. Ma l’unica che oggigiorno è in grado di spiegarlo in modo soddisfacente, nelle sue diverse sfaccettature, è ancora solo quella che fa riferimento all’effetto serra indotto dai gas come l’anidride carbonica emessa dall’uomo.
Il clima del futuro, oggi nelle nostre mani
Una volta arrivata nell’atmosfera l’anidride carbonica vi rimane per molto tempo, nell’ordine dei centinaia d’anni. In altre parole abbiamo ancora fra noi l’anidride carbonica emessa dai nostri nonni e i nostri nipoti convivranno con quella che noi attualmente emettiamo. Nelle simulazioni di come sarà il clima del futuro, sia su scala globale sia su scala regionale, la durata di vita dell’anidride carbonica nell’atmosfera è uno dei numerosi fattori che viene tenuto in considerazione. I risultati dei modelli climatologici mostrano chiaramente il clima che dobbiamo attenderci nei prossimi 50 – 100 anni, in funzione dei quantitativi di gas ad effetto serra che saranno emessi e finiranno nell’atmosfera. Con riferimento alla Svizzera lo studio più completo a disposizione sono gli scenari climatici CH2018 pubblicati lo scorso anno dal National Center per Climate Services (NCCS), l’organo della Confederazione deputato a coordinare lo sviluppo dei servizi climatici in Svizzera. Il quadro che emerge è chiaro: siamo incamminati verso un clima caratterizzato da temperature in ulteriore rialzo in tutte le stagioni, estati più asciutte, precipitazioni più intense e inverni più poveri di neve rispetto a oggi.
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| La protezione del clima funziona: in rosso la prevista evoluzione della temperatura media estiva in Svizzera senza provvedimenti di protezione del clima, in grigio l’evoluzione con l’adozione di provvedimenti di protezione. In nero la misura effettiva. (Fonte: Scenari CH2018). |
Dagli scenari climatici CH2018 emerge anche una chiara indicazione di come il clima futuro sia oggi nelle nostre mani. Infatti, l’intensità e l’ampiezza dei cambiamenti dipenderanno dai quantitativi di gas ad effetto serra che andremo ad emettere nei prossimi anni. Ad esempio, senza provvedimenti efficaci di protezione del clima, verso fine del secolo in corso le temperature estive a Sud delle Alpi aumenteranno di circa 4,1 – 7,0 °C rispetto a oggi. Con dei provvedimenti efficaci potremo limitare questo aumento a 0,7 – 2,4 °C. Proprio a causa del lungo tempo di permanenza dell’anidride carbonica nell’atmosfera degli ulteriori cambiamenti sono oramai inevitabili e, indipendentemente dalle misure di protezione del clima che adotteremo, li dovremo gestire. Però siamo ancora in tempo per evitare che tali cambiamenti assumano delle dimensioni ingestibili. A patto di tagliare drasticamente le emissioni di gas ad effetto serra.
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| A Sleipner (Norvegia) è in funzione dal 1996 uno dei pochi impianti al mondo di cattura del carbonio (carbon capture storage, CCS), che viene poi stoccato nel giacimento petrolifero presente sul fondo del mare. Nella foto è la piattaforma a sinistra. (Fonte: ABB). |
Le tecnologie per decarbonizzare la nostra società
Nella sua seduta di mercoledì 28 agosto il Consiglio federale ha deciso di perseguire l’obiettivo di ottenere entro il 2050 un saldo netto delle emissioni di gas ad effetto serra pari a zero. Un obiettivo molto ambizioso, ma coerente con le indicazioni che arrivano dagli studi climatologici. Per soddisfare quando concordato a Parigi nel 2015, vale a dire evitare un riscaldamento globale superiore a +2 °C rispetto all’epoca preindustriale è indispensabile agire su più fronti per ridurre a zero le emissioni di gas ad effetto serra. Accanto alle misure tradizionali e note da tempo, come l’uso generalizzato delle fonti d’energia rinnovabili o i provvedimenti per migliorare l’efficienza energetica, sta diventando sempre più intensa la discussione attorno alle cosiddette tecnologie a emissione negative o tecnologie per la rimozione del carbonio. Vi sono diversi filoni di queste tecnologie, che lavorano su processi differenti, ma tutte volte a contribuire alla de-carbonizzazione della nostra società. Alcune sfruttano reazioni chimiche per estrarre l’anidride carbonica nell’aria e pomparla poi nel sottosuolo. Altre sfruttano la cattura l’anidride carbonica tramite le piante che poi vengono bruciate; il CO2 così prodotto catturato e di nuovo stoccato nel sottosuolo. Al momento queste tecnologie non sono ancora disponibili in una versione che permetta di essere impiegate in modo operazionale su vasta scala. Molte sono ancora allo stadio di impianti pilota. Per avere un impatto sui cambiamenti climatici sarà necessario svilupparle in modo notevole e alla svelta. Esse non possono però sostituirsi alle misure volte ad una riduzione immediata e massiccia delle emissioni di gas ad effetto serra. Proseguire nella ricerca tecnico-scientifica fa però senso, affinché esse – se matureranno come sperato – possano andare ad arricchire il pacchetto di provvedimenti per de-carbonizzare la nostra società. 50 anni fa l’uomo arrivò sulla Luna, grazie ad un decennio di intense ricerche scientifiche e innovativi sviluppi tecnologici. Uno sforzo simile è ora necessario per continuare a rimanere sulla Terra.
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