Il Max Planck non vola

Massimo Ippolito di KiteGen risponde all'improvviso affastellarsi di voci allarmate e preoccupate per l'avvenuta segnalazione su Quale Energia di uno studio, eseguito presso il Max Planck Institute, che sembrerebbe mettere in crisi il concetto stesso di eolico di alta quota o troposferico.

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Di Massimo Ippolito

Tullio de Mauro ci informa, dalle pagine del Corriere, che il 71 per cento della popolazione italiana si trova al di sotto del livello minimo di comprensione nella lettura di un testo [italiano] di media difficoltà. E poiché quindi, purtroppo, quello studio del Max Planck può essere compreso, valutato criticamente e letto tra le righe da percentuali omeopatiche di cittadini medi, chiedo perdono per la franchezza, accompagnata da un certo disagio, che mi vedo costretto a usare. Siamo infatti di fronte ad un lavoro assai criticabile, come vedremo, e francamente stupisce la disponibilità a pubblicarlo da parte di Earth System Dynamics e quella a rilanciarlo da parte di Quale Energia (che peraltro ci ha cortesemente offerto un diritto di replica).

Chi è abituato a leggere pubblicazioni scientifiche resterà sicuramente sorpreso dallo stesso titolo del paper, “Jet stream wind power as a renewable energy resource: little power, big impacts” che ne preannuncia lo spirito inspiegabilmente aggressivo. Nel paper stesso, poi, ogni paragrafo dedica uno spazio esagerato, e senza ragionamenti di supporto, a ripetere apoditticamente ciò che è stato espresso nel titolo e che viene ribadito nelle conclusioni.

I lavori, per esempio, dell'IPCC hanno abituato tutti a vedere ogni previsione prodotta da un modello corredata da una barra di incertezza. Mentre ci risulta arduo considerare un segno di serietà scientifica già la sola affermazione, contenuta nel paper del Max Planck, che si possa estrarre esattamente 7,5 TW dall'atmosfera, senza offrire a chi legge delle opportune barre di errore; barre che sono ottenibili, nel ciclare il modello, variando le assunzioni nel loro ambito di plausibilità.

Stimano solamente 7,5 TW, ma a ben vedere non è affatto poco!

Paradossalmente, lo studio dei ricercatori del Max Planck Institute, pur eseguito utilizzando argomenti che dimostreremo errati e pur posizionandosi, fra centinaia di altre valutazioni della risorsa vento, come la meno generosa in assoluto, è in sostanza un'ulteriore conferma della validità del KiteGen e più ampiamente dell'eolico di alta quota. Perché esso afferma che col solo eolico di alta quota si può estrarre in modo sostenibile molto di più del fabbisogno mondiale primario di energia, anche se lo afferma in polemica diretta con un recente lavoro più ottimistico di Ken Caldeira e Christina Archer, nel quale quel "di più" è stimato in 100 volte.

Cito infatti dalla loro pubblicazione: "Our estimate for maximum sustainable extraction of kinetic energy from jet stream is 7.5 TW" ("La nostra stima per la massima e sostenibile estrazione di energia cinetica dal jet stream è di 7,5 TeraWatt"). Tuttavia tale pur pessimistico limite di 7.5 TeraWatt, della nobile e preziosa energia elettrica, è di gran lunga superiore all'intero fabbisogno umano primario! Fabbisogno che oggigiorno si attesta in 14 TW fossili, e quindi termici, dei quali molto meno della metà si trasforma in servizi energetici utili. Una centrale elettrica a carbone consuma circa il triplo di energia termica rispetto all'elettricità erogata e un'automobile brucia e disperde cinque volte l'energia termica del carburante rispetto all'energia meccanica che arriva effettivamente alle ruote. Quasi tutto il nostro uso di energia è affetto da queste ineludibili proporzioni di spreco. Di conseguenza si può affermare, senza timori di smentite, che il fabbisogno umano attuale, di potenza, è ampiamente sotto i 6TW (da moltiplicare per le 8760 ore, per ottenere il fabbisogno di energia su base annua), se fissati già nella nobile forma elettrica o meccanica anziché termica.

Potenza o energia? Questo è il problema

Entriamo ora nel merito del lavoro.

Chi si occupa professionalmente di energia condivide con me la sensazione oppressiva del dover subire la continua e diffusa confusione fra i concetti distinti di potenza e di energia. E anche a pagina 202 del paper in questione l'intero primo paragrafo mescola ripetutamente e ineffabilmente i due concetti. Qui un esempio: "If we take the present global energy demand of 17 TW of 2010 (EIA, 2010), then this estimate would imply that 1700 TW of wind power can be sustainably extracted from jet streams. However, this estimate is almost twice the value of the total wind power of 900 TW (Lorenz, 1955; Li et al., 2007; Kleidon et al., 2003;Kleidon, 2010) that is associated with all winds within the global atmosphere."

L’attuale domanda di energia è, secondo gli autori, di 17 TW, che però misurano una potenza, chiaro (ma solo agli addetti ai lavori) che volessero intendere la potenza media assorbita dalle utenze planetarie durante un anno, ma espresso con una superficialità che non è ammissibile per uno studente del liceo durante un’interrogazione, figurarsi per un team di ricercatori, il quale avrà peraltro avuto modo di rileggere più volte il lavoro prima di rilasciarlo. Inoltre affermare che la potenza totale del vento è di 900 TW è una forzatura del concetto fisico: non esiste potenza in un fluido, semmai esso è dotato di energia. Al limite, si potrebbe provare a valutare l'energia posseduta dal regime stazionario atmosferico, che però si misura in TWh (TeraWattOra). Quei 900 TW, se mai, potrebbero essere la potenza che il sole trasferisce all'atmosfera e che si trasforma in forma cinetica oppure la potenza che l'atmosfera perde continuamente in calore con l'interazione con il suolo e nei fenomeni di attrito tra i vari flussi. Dovrebbe bastare questo per riconsiderare che esistono molti approcci di maggiore qualità e certamente di superiore interesse sul tema:

ENERGIA

Brunt(1939) calcola in 100PWh l’energia cinetica totale dell'atmosfera.

POTENZA DISSIPATA IN ATMOSFERA

Gustavson (1979) calcola 3600TW di dissipazione media totale, (inoltre conferma i dati di Brunt),

Gustavson (1979) 1200TW di dissipazione entro il boundary layer con l'orografia del territorio e il trasferimento di energia ai mari,

Lorenz (1967) 1270TW, Skinner (1986) 350TW, Peixoto and Oort (1992) 768TW, Sorensen (1979 e 2004) 1200TW, Keith et al. (2004) 522TW, Lu et. al., (2009) 340TW, Wang and Prinn (2010) 860TW.

Le differenze fra i risultati di cui sopra sono motivabili da analisi che parzializzano su flussi ordinati, puramente orizzontali e potenzialmente sfruttabili, ma sostanzialmente tutti gli autori sono abbastanza concordi sugli ordini di grandezza.

SFRUTTAMENTO DELLA RISORSA

Gustavson (1979) ritiene che possano essere sfruttati 130 TW - il 10% di ciò che viene dissipato naturalmente - con già un’espressa attenzione al clima da parte dell'autore; che per me rimane il più credibile, colui che ha detto e capito tutto ciò che c'era da dire e capire. Un altro ottimo lavoro è quello di Sorensen, che si sovrappone quasi perfettamente a quello di Gustavson

Tornando alla confusione tra potenza ed energia sul paper di L. M. Miller, F. Gans and A. Kleidon , bisogna essere veramente indulgenti ed approssimativi per accettare queste formulazioni :

<<Archer and Caldeira (2009) estimated the potential of jet stream wind power as “...roughly100 times the global energy demand”. If we take the present global energy demand of 17TW of 2010 (EIA, 2010), then this estimate would imply that 1700TW of wind power can be sustainably extracted from jet streams. However, this estimate is almost twice the value of the total wind power of 900TW(Lorenz, 1955; Li et al., 2007; Kleidon et al., 2003; Kleidon, 2010) that is associated with all winds within the global atmosphere.

Here we resolve this contradiction between the energy that can maximally extracted from the jet stream Sect. 4 in terms of differences in velocity and dissipation rates, the limit on how much kinetic energy can maximally be extracted, atmospheric energetics. The contradiction originates from the erroneous assumption that the high wind speeds of the jet streams result from a strong power source. It is well known in meteorology that jet streams reflect quasi-geostrophic flow, that is, the high wind speeds result from the near absence of friction and not from a strong power source.>>

1) Vi si "accusano" artificiosamente Archer e Caldeira di dire che 1700 TW sono sostenibili, mentre il vero significato è che essendoci un potenziale pari a 100 volte la domanda globale, l'estrazione risulta particolarmente copiosa anche da una singola geolocalizzazione, e che per ora possiamo lasciare passare indisturbato ciò che non raccogliamo. Inoltre la stima di Archer e Caldeira non si riferisce ai soli jet stream.

2) Vi si cita un TOTAL WIND POWER, associato a tutti i venti dell'atmosfera, e non un dato di potenza media, mediata o al limite di TW anno; il che è un errore grave.

3) Vi si indica una massima energia che può essere estratta; cosa che non ha alcun significato se non con un senso molto traslato di energia, ovvero di potenza.

4) Vi si indica la massima energia cinetica che può essere estratta; cosa che avrebbe un significato solo se vi fosse stato aggiunta, anche solo lessicalmente, una base di tempo.

5) Inoltre l'assenza di frizione è un falso. Infatti sappiamo che in atmosfera si perdono globalmente 7W al mq, di cui 2,5 W mq sono la parte eventualmente a disposizione dell'eolico (da non confondere con i 700W al mq medi, disponibili localmente, quale sommatoria di raccolta nel grande cardioide sopravvento ai generatori).

Ragionando attentamente, l'intento degli autori di forzare insieme diversi concetti, anche al rischio di apparire superficiali, appare poco chiaro, e sicuramente poco scientifico dando peraltro adito al sospetto di voler attaccare ad ogni costo il concetto di eolico di alta quota.

Ma in realtà nessuno di buon senso ha mai pensato di sfruttare direttamente il Jet Stream

Il Jet Stream alimenta immagini e sogni sproporzionati. Per cui si nota spesso, quando si tratta di energia eolica, una sorta di prouderie intellettuale a volerne forzatamente dissertare. 

Effettivamente la velocità media del vento a quelle quote è di 90 nodi medi, un equivalente di circa 16 kW al metro quadrato di fronte vento, con dei picchi frequenti di oltre 100 kW al metro quadro. Un’ipotetica ventolina di soli 20 cm di diametro, immersa nel jet stream, potrebbe davvero alimentare abbondantemente un'abitazione tutto l'anno, sia di giorno che di notte.

Però una macchina che si immerga nel pieno del Jet Stream, a 9000 metri di altezza, è difficile perfino da immaginare. Solo fantasie tecnologicamente immature possono ipotizzare di sfruttare direttamente quel possente quanto ingestibile flusso. L'eolico di alta quota, in tutte le sue forme, si indirizza invece al flusso residuale, quello che si propaga dai jet streams e scende a quote relativamente più basse ed è destinato a frangersi e disperdere energia in calore tra le cime delle montagne, le foreste e l'orografia del territorio. Si deve pensare che gli estensori del paper non lo sapessero ? Cioè che criticassero una tecnologia pur ignorandone perfino le basi? Trattasi di un dubbio lecito e nel contempo alquanto inquietante.

E ancora, i lavori di Christina Archer e Ken Caldeira , che sono citati nello studio a preteso sostegno, non si concentrano invece affatto sull'ipotesi di sfruttamento del jet stream. L'atlante dei venti di alta quota che essi hanno pubblicato prende infatti in esame tutte le latitudini e longitudini alle varie altezze; per cui è inaccettabile che sia attribuito loro una focalizzazione esclusiva sul jet stream.

La magia insita nelle macchine che intendono sfruttare l'eolico troposferico è proprio la possibilità di modulare l'altezza operativa in modo da trovare sempre una brezza non troppo forte né troppo debole, col fine primario di fare concorrenza alla stabilità ed alla costanza delle centrali termiche, che convertono l'energia fossile provvidenzialmente accumulata nei milioni di anni dal nostro pianeta.

L'eolico di alta quota presenta inoltre il vantaggio di trovare concentrata questa energia approssimandosi al regime stazionario atmosferico; al quale si può accedere praticamente da qualunque luogo della superficie terrestre, senza richiedere di dispiegare centinaia di migliaia di installazioni sui territori. Ciò che c’è di positivo nel fatto di avere quella enorme risorsa energetica accumulata nei jet stream, non può certamente essere l'immaturo ed inutile proposito di estrarne migliaia di TW, ma è la consapevolezza di poter cogliere il vantaggio di una macchina che può attingere ovunque dalle perdite di quel serbatoio energetico per soddisfare auspicabili specifiche di funzionamento e di potenza erogabile.

Il limite di Betz

A pagina 206 del paper è citata la legge di Betz ed il suo limite al 59,3%. E le formulazioni matematiche di Betz descrivono effettivamente la metodologia per frenare al meglio il flusso del vento al fine di estrarre energia. Esse permettono cioè di capire che il vento non è da sfruttare a fondo perché deve fluire attraverso la macchina eolica senza perdervi tutta la velocità e l'energia posseduta. Condizione indispensabile per ottenere il migliore risultato.

Però le leggi di Betz sono preziose per le turbine eoliche, che hanno un fronte vento intercettabile limitato dalla dimensione delle pale in rotazione; per cui il vento elaborato mantiene in ogni caso l'energia residua che non viene convertita dalla macchina. Nel caso invece dell'eolico troposferico di tipo ground-gen (generatore a terra), quelle leggi perdono gran parte della loro importanza poiché il fronte vento intercettabile è decine di volte superiore a quello delle pale eoliche e quindi la velocità del vento viene ridotta solo leggermente. 

Gli autori del paper forzano il cosiddetto limite di Betz, con l'intento scoperto di affermare che la massima potenza cinetica estraibile è 7,5 TW e che quindi, a causa del limite di Betz, la potenza elettrica è di 4,5 TW. Ma questo non è vero perché, se la potenza cinetica estraibile fosse effettivamente limitata a 7,5 TW, le macchine eoliche dovrebbero elaborare vento per 12 TW lasciando fluire preservati 4,5 TW, assolvendo in pieno alla specifica di sottrarre solo 7,5 TW cinetici.

Modelli matematici

Spesso si sente dire che la scienza e gli scienziati sono divisi nel decifrare vari argomenti, come per esempio succede per i modelli che descrivono il caos climatico e la responsabilità antropica.

Molti politici non vogliono più sentir parlare di modelli, probabilmente perché hanno assistito a dimostrazioni di tesi opposte brandite con altrettanti modelli a supporto. Ebbene, è un vero peccato poiché l'essenza della politica degli statisti dovrebbe essere quella di prevedere il futuro con sufficiente anticipo per reagire correttamente.

Penso di aver focalizzato abbastanza chiaramente il principale fattore comune dei guasti cognitivi e comunicativi su molti argomenti di una certa complessità. Si tratta di differenti percezioni e interpretazioni dei fenomeni dinamici e retroattivi. Posso anzi dire che si nota una netta linea di demarcazione tra chi studia, percepisce ed è consapevole di fenomenologie multivariate con il loro corredo di forzanti e retroattività, e chi percepisce la scienza ed i suoi fenomeni con rappresentazioni statiche o semplici proiezioni tendenziali, come succede nel mainstream degli economisti o dei demografi.. Purtroppo, è possibile confezionare i cosiddetti modelli previsionali con entrambe quelle mentalità, ma con ben diversi risultati qualitativi.

Il lavoro di L. M. Miller, F. Gans and A. Kleidon rivela appunto una scarsa conoscenza della dinamica dei sistemi. Infatti, pur dichiarando di aver utilizzato un modello matematico ad elementi finiti, lo hanno applicato spalmando ovunque e forzatamente un freno fluidico quale emulazione di macchine eoliche di alta quota. Un errore marchiano, che risulta evidente pensando che le macchine eoliche devono avere necessariamente una geolocalizzazione, mentre tale aspetto è stato da loro completamente ignorato, 

Se i potenti flussi di vento di alta quota sono così mobili per quasi mancanza di attrito, un eventuale ostacolo puntuale verrebbe in buona parte aggirato, creando scenari dinamici inediti, ma modellizzabili con approcci più rigorosi.

Qui ho riprodotto un'immagine a dimostrazione che, mentre scrivevo, su Inghilterra, Francia, Italia e fino alla Grecia era presente un vento di oltre 200 km/h. Come si può notare, questi flussi accelerano, frenano e deviano, coinvolgendo immense masse d'aria a grande velocità e con grandi accelerazioni, in evoluzioni che in poche ore presentano configurazioni completamente differenti e grandi scambi e dissipazioni di energia.

Basti pensare all'energia veicolata da un vento come il foehn, frequente in Piemonte, che nel mentre deposita in scioltezza miliardi di tonnellate di neve sulle Alpi, riesce in pieno inverno ad elevare la temperatura di una intera regione a livelli estivi.

Per dare un'indicazione quantitativa, risultante dall'immagine, l'Italia era investita da una potenza eolica di oltre 200 TW, pari a circa 15 volte il fabbisogno mondiale primario. Qui posso appropriatamente parlare di potenza perché ho definito un’area (il fronte vento sulla penisola italiana) ed un riferimento temporale (l’istante cui l’immagine si riferisce). Lo studio di queste dinamiche atmosferiche emblematicamente ripropone le difficoltà citate. Eppure c'è chi pensa di poter mettere giù una manciata di equazioni, che a gamba tesa intervengono in un modello; e pretende di ottenere risultati sensati. 

Ipotizzare un limite di sfruttamento di pochi TW rappresenta per ora un più che comodo, ampio e direi comunque condivisibile obiettivo, fino a quando si potrà confermare, con lavori di modellizzazione rigorosi, che più si sfrutta il vento troposferico e più vento troposferico sarà disponibile. Una risorsa forse autofertilizzante, insomma.

L'anticipata sottrazione di energia cinetica da parte delle macchine eoliche, infatti, fa abbassare la temperatura anche di parecchi centesimi di grado nei cardioidi sottovento dell'atmosfera. E i differenziali termici, insieme al contenuto di vapore, sono il grande motore dei venti. 

La maggior parte dello sfruttamento, per ragioni geografiche e di popolazione, insisterà sulle celle di circolazione atmosferica di Ferrel, che rappresentano un colossale corto circuito energetico tra le celle di Hadley e le celle Polari. Sottrarre energia a queste celle di circolazione atmosferica può significare vedersela restituire integralmente dalle dinamiche circostanti.

Le Istituzioni, dove sono?

Dopo questa indispensabile critica del lavoro proveniente dal Max Planck Institute, finalmente si condividono gli elementi per affermare, senza apparire esagerati, che dalla sola Italia, grazie alla sua posizione trasversale ai grandi flussi pseudo geostrofici, si potrebbe facilmente estrarre 1 TW continuo di potenza, ovvero oltre 8000 TWh di energia annui. I quali, trasformati prosaicamente in denaro, equivarrebbero ad una produzione netta di ricchezza puramente endogena stimabile in 800 miliardi di euro l'anno.... Roba da far impallidire tutte le inique manovre finanziarie che i governanti ci stanno imponendo.

Qualche decina di grandi macchine eoliche o kitegen farms, distribuite da Nord a Sud, farebbero tutto il lavoro senza preoccupazioni di intermittenza, e a forse nemmeno un decimo del costo che avrebbe avuto il nostro nucleare.

Il fatto di scrivere e dimostrare percorsi progettuali credibili ci ha procurato la promessa (ma solo quella) di finanziamenti pubblici per un totale complessivo di 78 milioni. Abbiamo partecipato ai bandi per la ricerca e l'innovazione, e le commissioni si sono sempre entusiasmate del progetto; al punto che molti valutatori tecnici e strategici si sono sentiti in dovere di complimentarsi personalmente col sottoscritto. Mi ricordo di Zorzoli, Clini, Silvestrini, Degli Espinosa, Pistorio... Poi, regolarmente, i fondi sono stati bloccati e i responsabili trombati; oppure la pratica è finita in mano a burocrati lunari. Degli Espinosa e in particolare Pistorio all'epoca di “Industria2015” si erano convinti saggiamente, che almeno un KiteGen, realizzato su scala industriale, bisognasse assolutamente vederlo.

Consumare copiosamente energia da fonte rinnovabile è l'unico ed inedito motore primario e credibile per l'economia del futuro, ma sembra che un sentimento di impotenza e nichilismo imperino e che chi potrebbe darci una mano preferisca vedere il collasso.