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Fonti energetiche, cambiamenti climatici e nuovi paradigmi energetici
Università MediterraneaReggio Calabria
Prof.ssa Matilde Pietrafesa
Dipartimento DIIES dell’Informazione, delle Infrastrutture e dell’Energia Sostenibile
09/05/2015 1
Fabbisogni energetici attuali
Riscaldamento/raffrescamento
Mobilità
Illuminazione
Uso di apparecchiature elettriche
Produzione di acqua calda
Cottura cibi
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Mte
p/an
noConsumi energetici mondiali
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Tonnellata equivalente di petrolio
È un'unità di misura più maneggevole per grandi valori di energia:
l'energia liberata dalla combustione di una tonnellata di petrolio (tep)
è più intuitiva di 42 miliardi di joule
09/05/2015 4
1 barile = circa 160 l = circa 250 €/mese
Consumo mensile di petrolioItalia
09/05/2015 5
5 l = ca.8 €/giorno
Consumo giornaliero di petrolioItalia
09/05/2015 6
Consumi energetici dei vari Paesi
Consumi negli usi finali dell’energia
40,2
30,0
41,5
42,5
39,7
46,4
3,2
3,3
7,5
7,2
2,7
3
0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0
2000
2012
Mtep
Industria
Trasporti
Civile
Agricoltura
Usi non energetici
Bunkeraggi
Energia primariaL’energia primaria viene attinta direttamente dall’ambiente e non è sempre immediatamente disponibile
Prima di poter essere utilizzata spesso deve essere trasformata in altre forme di energia (soprattutto energia elettrica) dette secondarie
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RISORSE ENERGETICHEPrimarie
RINNOVABILINON RINNOVABILI
energia solare
energia eolica
energia geotermica
energia dalle maree e dalle correnti
energia idroelettrica
energia dalle biomasse
Combustibili fossili:
petrolio
gas naturale
carbone
EsauribilitàCosto
Inquinamento
Disponibilità illimitataGratuità
Assenza di inquinamento
CARATTERISTICHE
Combustibili fissili:
uranio
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Fonti energetiche
Convenzionali: si usano da molto tempo, godono di largo utilizzo ed hanno un assetto ben consolidato nel mercato energetico
Non convenzionali: di uso più recente, godono di utilizzo crescente ed hanno un assetto in via di consolidamento nel mercato energetico
Domanda di energia primaria 2035
Disponibilità mondiale energia primaria
Irradiazione = 86000 TW
Consumo = 15 TW
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09/05/2015
Energia secondaria: energia elettricaPerché la usiamo?
• E’ versatile
• E’ disponibile con facilità
• E’ trasportabile
• E’ distribuibile tramite servizi di rete
• E’ immagazzinabile (pile, batterie)
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I combustibili fossili
Oltre l’80% dell'energia oggi utilizzata
è ottenuta da combustibili fossili
(petrolio, gas naturale, carbone).
Lo sfruttamento intensivo di
tali risorse ha fatto sì che esse non possano
essere ripristinate nell’ambiente secondo un
ciclo biologico continuo, rompendo gli
equilibri della biosfera
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Durata fonti fossili
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200 years Oil400 years Natural Gas2000 years Coal
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Ciclo di produzione del petrolio curva di Hubbert
Combustibili fossili
Negli ultimi 200 anni abbiamo soddisfatto i nostri fabbisogni energetici bruciando carbone, petrolio e gas (metano).Quasi tutte le attività della nostra economia sono dipendenti dai combustibili fossili: riscaldamento, trasporti, energia elettrica, illuminazione quasi totalmente, ma non solo.
Derivati del petrolio
Gli alimenti di cui ci nutriamo sono prodotti con concimi e pesticidi derivati dal petrolio, come quasi tutti i i materiali da costruzione e la stragrande maggioranza dei farmaci.Anche gli abiti che indossiamo sono in gran parte realizzati con fibre petrolchimiche.Abbiamo costruito un’intera civiltà sulla riesumazione di questi depositi fossili.
Sistema energetico attuale
Il sistema energetico attuale è quindibasato prevalentemente sull’utilizzo dicombustibili fossiliEssi, oltre ad essere destinati adesaurirsi in tempi brevi, sono la causaprincipale dei cambiamenti climaticiriscontrati negli ultimi decenni.Il riscaldamento del pianeta è in pratica ilconto che ci sta presentando
Aumento della CO2
Combustione:
metano (CH4)
La loro combustione ha prodotto il rilascio di ingenti quantità di anidride carbonica in atmosfera, causando un incremento dell’effetto serra
4 2 2 2CH 2O CO 2 H O energia
Scala dell’inquinamento
Globale– Effetto serra– Buco nello strato di ozono
Regionale- Piogge acide
Locale– Smog nelle aree urbane– Inquinamento da mezzi di trasporto
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Sostenibilità ambientale
Per far fronte a questa emergenza è necessario proporre piani d’azione sostenibili, con lo scopo di ridurre le emissioni di gas serra (GHG)
Il gruppo intergovernativo che si occupa dello studio delcambiamento climatico ha presentato a settembre 2013 ilsuo ultimo rapporto sul clima, concludendo che ilriscaldamento globale è principalmente causato dalleattività dell’uomo.
L’evidenza scientifica degli effetti antropogenici sulsistema climatico si è andata consolidando negli anni.
Il rapporto afferma che è estremamente probabile che piùdella metà dell’aumento osservato della temperaturasuperficiale dal 1951 al 2010 sia stato provocatodall’effetto antropogenico sul clima (emissioni di gas-serra,aerosol e cambi di uso del suolo).
Intergovernmental Panel on Climate Change (2013)
Aumento della temperatura
Dagli anni ‘50 a oggi i cambiamenti osservati sono senza precedenti: gli ultimi 30 anni sono stati i più caldi degli ultimi 1400 anni e per contrastare questa tendenza bisognerebbe azzerare le emissioni prima del 2100
Aumenti della temperatura superiori a 2°C potrebbero portare ad un ciclo di estinzioni di massa delle specie animali e vegetali, che potrebbe avviarsi entro la fine del secolo.
Aumento della temperatura
Nel corso della storia la Terra ha conosciuto 5 ondate di estinzioni biologiche negli ultimi 450 milioni di anni e tutte le volte sono stati necessari 10 milioni di anni per recuperare la perdita di biodiversità.
(i tirannosauri dicevano che il cambiamento climatico era una bufala)
Effetti del riscaldamento:estinzione delle specie
Gli scienziati temono dapprima la perdita di specie arboree in ecosistemi sotto stress: infatti gli esseri umani possono emigrare rapidamente, ma le piante no.
Un’improvvisa perdita di foreste, che rappresenta l’habitat di gran parte delle specie animali, sarebbe poi una catastrofe per queste specie.
Aumento delle precipitazioniMa l’effetto più devastante si avrebbe sul ciclo dell’acqua, con aumento dell’intensità delle precipitazioni, inondazioni diffuse e periodi di siccità prolungata.
Alluvioni
Desertificazione
Effetti dei cambiamenti climatici
Scioglimento dei ghiacciai
La neve delle grandi calotte montuose si sta sciogliendo e ci si aspetta che alcuni ghiacciai perdano fino al 60% della propria massa entro il 2050.
Gli scienziati prevedono anche un innalzamento del livello medio del mare, con perdita di territori costieri: piccoli arcipelaghi come le Maldive potrebbero essere completamente sommersi.
Le zone articheParticolare preoccupazione c’è per le zone artiche: entro il 2050 si prevede una diminuzione della copertura del 75%.
Un esempio di conseguenze irreversibili riguarda la calotta glaciale dell’antartideoccidentale: il conseguente innalzamento del mare sarebbe di 3-4 m.
Effetti dei cambiamenti climatici
Scioglimento dei ghiacciai
Innalzamento del livello delle acque
Diminuzione della superficie dei ghiacciai
La Siberia
Se si sciogliesse il permafrost che ricopre la Siberia fin dai tempi dell’ultima glaciazione (prima di allora una lussureggiante prateria), che ha intrappolato CO2 sotto il terreno, non c’è nulla che l’uomo possa fare per impedire la catastrofica estinzione di massa della vita sul pianeta.
Effetti di feedbackCiò che allarma di più i climatologi è la difficoltà di previsione degli effetti di feedback, che potrebbero far schizzare la temperatura a picchi assai più alti.
Ad es.: il ghiaccio della calotta polare, sciogliendosi, impedirebbe al calore di disperdersi, la minore copertura nevosa perderebbe di capacità di riflessione delle radiazioni solari e, a sua volta, riscalderebbe ulteriormente la Terra, facendo sciogliere più velocemente le calotte glaciali, in un sistema di feedback in continua accelerazione.
Previsioni catastrofiche
Continuando su questa strada la temperatura si innalzerebbe di 3°C entro la fine del secolo: per quanto non sembrino molti, tale aumento riporterebbe alle condizioni climatiche prevalenti della Terra 3 milioni di anni fa, nel Pleistocene.Gli scienziati mettono in guardia: se non si inverte bruscamente la rotta, si arriverà ad un passo da un mutamento potenzialmente catastrofico.
Messaggio del Pianeta
Il messaggio che ci manda il Pianeta è quindi che l’uomo non può disporre incondizionatamente ed arbitrariamente dell’ambiente, assoggettandolo senza riserve alla sua volontà
Incremento della CO2
Negli ultimi 650.000 anni i livelli di CO2
non avevano mai superato i 300 ppm.Prima degli anni ‘60 la concentrazione era di 316 ppm, mentre attualmente si sono raggiunte le 400 ppm, livello mai raggiunto da 23.000.000 di anni (450 ppm è il valore che si considera correlato ad un aumento di temperatura non superiore a 2°).
In assenza di provvedimenti, le concentrazioni entro fine secolo potrebbero superare i 550 ppm, abbastanza per far salire le temperature a 6°C.
Incremento delle concentrazioni
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Emissioni di CO2
Situazione attuale
Il percorso verso la decarbonizzazione
Il Percorso dei Governi
La scienza ha parlato. Non ci sono ambiguità nel suo messaggio. Ora i leader devono agire. Il tempo non è dalla nostra parte (Ban Ki-moon, Segretario generale ONU).
L'unico tentativo serio di raggiungere un accordo vincolante - la conferenza di Copenaghen del 2009 – fallì miseramente Per diverse ragioni gli Stati Uniti e la Cina non vollero firmare, lasciando la politica europea isolataI Paesi di nuova industrializzazione opposero resistenze, per nulla intenzionati a cambiare la loro direzione di marcia
Contenere l’aumento della temperatura entro i 2°C
Anche se alla conferenza non si riuscì a raggiungere un accordo, fu fissato almeno un obiettivo: evitare a tutti i costi che la temperatura media globale aumenti di 2°C rispetto ai livelli precedenti all'età industriale, che gli scienziati indicano come punto di non ritorno.Per raggiungere questo traguardo, sostiene oggi l’IPCC, le emissioni di gas serra dovrebbero essere ridotte tra l’80 e il 95% entro il 2050.
Ragioni dell’insuccesso
Gli sforzi europei furono resi irrilevanti perché in Cina ed in India le emissioni continuarono a crescere, così come l’uso del carbone per la produzione di energia elettrica.Da allora le emissioni di gas serra e le loro concentrazioni nell'atmosfera continuarono ad aumentare allo stesso ritmo
Ruolo leader dell’Europa
Ormai l’Europa ha sviluppato una leadership a livello globale sulla sostenibilità ambientale e la lotta ai cambiamenti climatici.
I noti obiettivi 20-20-20, fissati nel 2009 dal pacchetto clima-energia per il 2020, costituiscono impegni unilaterali, anche se parziali, di un processo di decarbonizzazionea lungo termine, per limitare l’aumento di temperatura entro i 2°C entro il 2050.
Pacchetto clima-energia 20-20-20
Entro il 2020 :
• riduzione delle emissioni di gas serra del 20%;• aumento dell’efficienza energetica del 20%;• 20% della produzione di energia da fonti rinnovabili;• 10% di biocarburanti sui consumi totali di benzina e gasolio
e ancora:
• realizzazione dell’edificio a energia quasi zero(autosufficienza energetica) o a bilancio energetico nullo;
DIRETTIVA 2010/31/UE
Edificio ad energia quasi zero (Nearly Zero Energy Building)edificio ad altissima prestazione energetica, il cui fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia prodotta da fonti rinnovabili
a) entro il 2020 tutti gli edifici di nuova costruzioneb) entro il 2018 gli edifici di nuova costruzione occupati o di
proprietà di Enti pubblici
Edificio ad energia netta zero (Net Zero Energy Building)Edificio il cui consumo globale di energia primaria è uguale o minore dell’energia prodotta in situ da fonti rinnovabili
Percorso verso il net zero energy building
Una volta apportati tutti i possibili interventi atti ad accrescere l’efficienza energetica e ridurre quindi le importazioni di energia (delivered energy), non si può più raggiungere la retta del bilancio nullo riducendo ulteriormente i consumi, ma è necessario produrre energia da fonti rinnovabili(energy supply)
Parziale successo del pacchetto 20-20-20
L’iniziativa, per essere efficace, richiedeva un prezzo della CO2 maggiore, che avrebbe reso più costosi i combustibili fossili, rendendo competitive le rinnovabili dopo un periodo di incentivazione iniziale.
Il prezzo tuttavia arrivò ad appena 6 euro a tonnellata, mentre avrebbe dovuto essere di almeno 40.
Ragioni del mancato obiettivo
Il carbone continua ad essere più economico, essendosi il prezzo abbassato sul mercato mondiale grazie all’aumento delle esportazioni degli Stati Uniti, dove la produzione energetica è stata rivoluzionata dallo shale gas, che ha sostituito il carbone, con un effetto netto sulle esportazioni verso l’Europa.
Situazione attuale e sviluppi futuri
Dipendenza energetica dell’Europa
Oggi l’Europa importa oltre il 50% del suo fabbisogno di energia primaria, oltre il 65% di gas ed oltre l’86% di petrolio
La sfida, in attesa della totale indipendenza energetica, è gestire in maniera ottimale la dipendenza, diversificando le fonti per ottenere un efficace mix di generazione che sfrutti tutte le tecnologie, in particolare le rinnovabili, e diversificando le rotte di fornitura.
Verso il mercato unico dell’energia in Europa
Non esiste attualmente in UE una politica energetica comune
Oggi l’Europa si presenta come un’area altamente interconnessa, dotata di un vasto e diversificato portafoglio di impianti di generazione, non sempre tra coerenti ed armonizzati.
La definizione di regole comuni permetterebbe di sfruttare efficientemente la diversificazione, mettendola a disposizione di un’ampia area e consentendo benefici in termini di costi e di impatti.
Nuovi obiettivi al 2030
A ottobre 2014 i leader europei hanno varato un pacchetto di nuovi obiettivi per il 2030.
Rispetto ai livelli del 1990:
a) riduzione del 40% delle emissioni di gas serra
b) aumento al 27% della produzione da energie rinnovabili
c) aumento del 27% dell’efficienza energetica.
Quest’anno sarà varato il percorso per l’adozione degli strumenti legislativi necessari
Obiettivi al 2050
L’obiettivo del 40% non è però, a detta di alcuni scienziati, sufficiente a mettere l’Europa in carreggiata per il traguardo di decarbonizzazione
Decarbonizzazione al 2050
L’Europa ha inoltre deciso di intraprendere il percorso di decarbonizzazione della propria economia entro il 2050, che prevede la riduzione dell’80-95% di CO2 entro il 2050, la quota necessaria per restare sotto i 2°C di aumento di temperatura.
Un obiettivo possibile che non può prescindere da una quasi totale decarbonizzazione dei processi di generazione elettrica.
Energy Roadmap 2050 Nel dicembre 2011 è stata pubblicata l’Energy Roadmap 2050che conferma l’ambizione di decarbonizzare all’80-95% l’economia europea entro il 2050 rispetto ai livelli del 1990
Il cambio di rotta
Si apre quindi una fase di cambiamenti, quasi una rivoluzione dell’attuale panorama europeo.
Grazie al ruolo trainante dell’Europa, dopo anni di disastri climatici che hanno portato ondate di siccità e aumentato la pericolosità degli uragani, il consenso attorno alle proposte di sicurezza climatica è cresciuto e le possibilità offerte dalla green economy cominciano ad essere colte.
Obiettivi futuri
Un cambio di rotta destinato a incidere anche sui risultati della conferenza Onu sui Cambiamenti Climatici di fine anno, che si terrà a dicembre a Parigi (COP21, Conferenza delle Parti), in cui si auspica di giungere ad un accordo internazionale con impegni globali di riduzione delle emissioni.
Si aprono le speranze
Nella COP20 in Perù i rappresentanti delle 196 nazioni hanno già siglato un accordo in vista del vertice di Parigi: per allora ogni Paese dovrà aver elaborato una strategia nazionale per tagliare i gas serra entro il 2020.
Una commissione di esperti esaminerà le misure programmate da ogni Paese per verificare la congruità a contenere l’aumento delle temperature globali sotto i 2°C
Finalmente!
In particolare va sottolineato l’impegno assunto da Stati Uniti e Cina, i Paesi più inquinanti del mondo, da sempre gli ossi più duri nel raggiungimento di un accordo per ridurre le emissioni compatibile con la crescita
Le emissioni si sono fermate
Nel 2014 per la prima volta l'economia globale è cresciuta mentre le emissioni di CO2 non sono aumentate (IEA), segnalando una svolta epocale. Benessere economico e inquinamento smettono di viaggiare in tandem: si può produrre più ricchezza con meno costi ambientali.
Negli ultimi 40 anni le emissioni di gas serra si erano fermate solo 3 volte, sempre in presenza di una crisi economica: per la prima volta si è registrato il disaccoppiamento con la crescita.
Il nuovo paradigma economico
Un nuovo paradigma economico accompagnerà la transizione verso un’economia a bassa intensità di carbonio.
Inoltre, l’infrastruttura industriale è obsoleta e bisognosa di manutenzione.
Il nuovo paradigma economicoQuella da realizzare è una riforma radicale, che rovescerà l’attuale modello di gestione centralistico-gerarchico dell’energia, in nome di una democratizzazione e federalizzazione delle risorse.
La civiltà odierna ha imboccato un nuovo regime energetico, non più centralizzato e gerarchico, ma distribuito e collaborativo.
Quello che attualmente si sta verificando è lariprogettazione energetica del ruolo delle città,una riforma radicale, tanto da essere indicatacome “Terza Rivoluzione Industriale” (Rifkin,2010).
Essa poggia su 5 assunti di base:
il definitivo passaggio all’energia rinnovabile la microgenerazione una rete intelligente di distribuzione
bidirezionale (Smart Grid) lo sviluppo dell’idrogeno come vettore
energetico per l’accumulo di energia la mobilità elettrica (trasporti non alimentati
da combustibili fossili).
La Terza Rivoluzione Industriale
Microgenerazione
Spostamento della produzione verso piccoli e piccolissimi impianti (nZEB, nearly Zero Energy Building, a consumo quasi nullo) o ancora, trasformazione degli edifici in centrali produttive (ogni edificio produrrà energia per il proprio fabbisogno e renderà disponibile l’eventuale surplus, Plus Energy Building)
Smart grid
L’obiettivo è creare un web dell’energia, organizzando in rete la produzione, la distribuzione e il consumo di elettricità e calore, grazie allo sviluppo di una enorme e capillarissima rete, una sorta di Energy Internet, per approvvigionare e distribuire energia, anche per la mobilità elettrica.
Siamo prossimi ad una nuova, affascinante convergenza tra comunicazione ed energia, fondendo la tecnologia di Internet e le energie rinnovabili, per creare una nuova e potente infrastruttura.
Smart Grid
Idrogeno
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Idrogeno
L’idrogeno è un vettore energetico che presenta i seguenti vantaggi:
• brucia dando come unico prodotto di reazione acqua;
• può essere distribuito in rete;• può essere impiegato in applicazioni diverse:
produzione di energia elettrica, autotrazione, generazione di calore.
La sua introduzione richiede tuttavia che siano messe a punto le tecnologie necessarie per agevolare la produzione, il trasporto, l’accumulo e l’utilizzo.09/05/2015 71
Uso combinato con fonti rinnovabili
Una delle critiche mosse all’energia solare ed all’energia eolica è che, non essendoci sempre sole o vento, e non essendo comunque costanti, l’energia disponibile è variabile e non sempre corrispondente al bisogno.
L'uso di elettrolizzatori, di unità di stoccaggio dell'idrogeno e di pile a combustibile permette di conservare l'energia in eccesso per i momenti in cui la fonte di energia non è disponibile (notte, inverno, vento debole o troppo forte).
09/05/2015 72
Sicurezza dell’idrogenoRispetto agli altri vettori energetici, l’idrogeno si diffonde e disperde più velocemente perché è molto più leggero dell’aria.
Nel caso di una perdita, è meno soggetto al pericolo d’incendio rispetto alla benzina o al gas naturale perché si diffonde velocemente diluendosi
Se viene raggiunta una concentrazione sufficiente, tende a bruciare con una fiamma piuttosto che esplodere e quando prende fuoco la fiamma ha un basso livello di calore radiante e quindi non surriscalda le zone vicine.
Combustione dell’idrogeno, del gpl e della benzinaConfronto tra l’esplosione di una bombola di idrogeno ed una di gpl: nel primo caso si ha una forte emissione di energia sonora (che è il principale meccanismo che dissipa l’energia associata all’esplosione) e fiamme, che si propagano rapidamente verso l’alto per via della leggerezza dell’idrogeno; nel secondo caso si ha un’emissione sonora contenuta rispetto a quella dell’idrogeno, ma con la propagazione delle fiamme verso il basso, in quanto il gpl è più pesante dell’aria, il che costituisce un grande pericolo per la sicurezza.
Confronto fra l’esplosione di una bombola di idrogeno e di un serbatoio di benzina
Sviluppi futuri
• Nel prossimo futuro di prevede un incremento consistente della richiesta di idrogeno e lo sviluppo del suo mercato viene considerato rapido dagli economisti
• Si prevede un grande utilizzo sia per la produzione di energia elettrica, sia nel campo veicolare: quasi tutte le case automobilistiche sono pronte con versioni ad idrogeno di loro modelli.
• Inoltre, l'impiego dell'idrogeno si considera adatto anche per: velivoli, imbarcazioni, PC portatili, telefonini.
• In questo momento i fattori critici per lo sviluppo del mercato sono: produzione, trasporto, stoccaggio.
Smart city
Smart city
Ci si sta muovendo verso le città intelligenti, o smart cities, sistemi organici in cui infrastrutture, servizi e tecnologia si coordinano per creare un centro abitato a misura d’uomo, coniugando in un unico modello urbano l’efficienza energetica, la sostenibilità economica e la tutela dell’ambiente.
Patto dei sindaci
Il principale movimento europeo che vede coinvolte autorità locali e regionali a pianificare misure di incremento dell’efficienza energetica e di diffusione delle fonti rinnovabili nei loro territori, per rispettare gli obiettivi EU di riduzione delle emissioni di CO2
I firmatari del Patto sono ad oggi circa 6000
Le Amministrazioni comunali dovranno assumere un ruologuida e di esempio nell’implementazione delle politichepianificate
Nuovo paradigma economico e sociale
Tutto questo non porterà soltanto ad una totale trasformazione in campo energetico, ma definirà contemporaneamente un paradigma economico e sociale completamente nuovo
I regimi energetici determinano infatti la forma e la natura delle civiltà, la loro organizzazione, il potere politico e le relazioni sociali.
I due regimi energetici
I combustibili fossili sono energie d’elitepoiché si trovano solo in determinati luoghi;
è necessaria una massiccia concentrazione di capitale per trasferirli dal sottosuolo all’utente;
proteggere l’accesso ai loro giacimenti richiede investimenti militari;
assicurarsene la disponibilità una continua gestione geopolitica.
Modello centralizzato
La centralizzazione dell’infrastruttura energetica a sua volta stabilisce lo standard di riferimento per il resto dell’economia, incoraggiando l’adozione di modelli operativi analoghi in tutti i settori
I due regimi energetici
Nel nuovo modello di gestione dell’energia, invece, la tradizionale organizzazione gerarchica del potere economico e politico cederà il passo al potere laterale e la democratizzazione dell’energia porterà con sé una radicale riorganizzazione delle relazioni umane.
Terza Rivoluzione Industriale Green Economy
La Terza Rivoluzione industriale e la Green Economy non sono panacee che possano curare tutti i mali della società, ma un piano economico pragmatico e senza orpelli che potrebbe farci accedere ad un’era post-carbonio. Se esiste un piano B, non se ne è sentito parlare…
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