Uno sguardo alle metodologie e agli strumenti prodotti negli
ultimi decenni per contribuire ad approfondire la conoscenza
delle interrelazioni tra Economia, Energia e Ambiente e
consentire l’analisi di scenari di medio e lungo periodo utili per
guidare le scelte politiche a livello nazionale e
internazionale.
Introduzione
Le interazioni energia/economia hanno iniziato ad essere un tema di rilievo, non solo in ambito politicoeconomico ma anche per la riflessione scientifica, attorno agli anni ’70, in concomitanza con il prodursi di una serie di crisi internazionali che hanno visto come attori principali, da un lato, i paesi produttori ed esportatori di risorse energetiche e, dall’altro, i paesi ad elevato sviluppo industriale che di queste risorse sono i maggiori consumatori e importatori. Contemporaneamente, sono diventate sempre più forti le preoccupazioni per le dimensioni assunte dallo sviluppo del consumo delle risorse energetiche fossili e per le relative conseguenze ambientali, sia globali che locali.
E’ tuttavia singolare come i complessi rapporti tra energia ed economia possano, in alcuni casi, essere ridotti a correlazioni molto semplici tra alcuni indicatori: ciò si verifica, ad esempio, quando si analizza l’andamento temporale del contenuto energetico del prodotto interno lordo dei vari paesi: il trend decrescente, comune a tutte le economie già sviluppate, come a quelle per le quali lo sviluppo tecnologico è ancora in atto, costituisce una caratteristica talmente evidente al punto che si può parlare di una generale de-energizzazione delle economie, coerentemente ad un insieme di comportamenti che sono comuni alle principali materie prime (per le quali si parla di una generale de-materializzazione delle economie).
Analogamente, sono stati individuati comportamenti omogenei e ben rappresentabili analiticamente nelle modalità con cui le tecnologie di più largo impiego nel settore energetico si sviluppano nel mercato globale: ad esempio, i costi di investimento seguono una generale tendenza alla riduzione al crescere della loro diffusione. Tale “fenomeno” è stato definito “technology learning” e viene analizzato in dettaglio per trarre previsioni sull’evoluzione attesa di quelle tecnologie che sono ancora in fase iniziale di “penetrazione”. La diffusione stessa delle tecnologie è stata studiata per evidenziarne i meccanismi di base.
Tra le metodologie e gli strumenti che sono stati prodotti negli ultimi decenni per contribuire ad approfondire la conoscenza delle interrelazioni tra Economia, Energia e Ambiente e consentire l’analisi di scenari di medio e lungo periodo utili per guidare le scelte politiche a livello nazionale e internazionale, ve ne sono due che ritengo particolarmente rilevanti e meritevoli di attenzione. Il primo fa riferimento ad un insieme di studi condotti, a partire dagli anni ’80, prevalentemente presso lo IIASA (Institute for Applied System Analysis)i, ove ha operato una equipe di ricercatori che hanno analizzato la competizione tra tecnologie e fonti energetiche applicando modelli di sostituzione di tipo logistico.
Il secondo riguarda invece l’attività svolta in diversi contesti internazionali, tra i quali l’IEAii (International Energy Agency) e il già citato IIASA insieme all’IPCCiii dove sono state sviluppate e applicate alcune “filiere” di modelli, basati su metodologie affini, in grado di analizzare scenari di lungo termine di sistemi energetici caratterizzati da un elevato dettaglio tecnologico. Nei due paragrafi successivi sono descritti brevemente le metodologie e gli strumenti relativi, nonché le principali applicazioni e i risultati ottenuti.
La competizione tra tecnologie e fonti energetiche e i modelli di sostituzione di tipo logistico.
L’idea base del meccanismo della competizione tra tecnologie e fonti nel settore energetico, è stata tratta dalla modellizzazione, in campo ecologico, della diffusione di una specie nel proprio habitat (nicchia) e, in forma più complessa, della competizione tra varie specie, con la dinamica preda-predatore come caso particolare.
Nel campo energetico, e più in generale, in quello tecnologico, la diffusione di una nuova tecnologia procederebbe seguendo l’andamento temporale di una curva ad S, o logistica, nella quale si individuano tre stadi: una lenta crescita iniziale, durante la quale la nuova tecnologia deve “dimostrare” la propria superiorità rispetto alle tecnologie con cui compete per le stesse finalità; un periodo di rapida crescita, una volta che tale superiorità sia stata dimostrata; infine, la crescita rallenta e si raggiunge un limite superiore determinato da fattori tecnologici e socio-economici. Le analisi svolte in IIASA hanno evidenziato che un numero considerevole di innovazioni tecnologiche si sono diffuse nel “mercato”(inizialmente nazionale, ma più recentemente mondiale) seguendo queste fasi, con assoluta regolarità.
Tra l’altro, nella maggior parte dei casi, il “ritardo” tra la dimostrazione di fattibilità di una innovazione e il vero avvio della sua “penetrazione” nel mercato è stato ed è tuttora compreso in un ristretto intervallo temporale, tra 10 e 15 anni.
Inoltre, questi “impulsi” tecnologici si raggruppano e prendono avvio in particolari momenti di quelli che sono stati individuati come veri e propri cicli economici di espansione e recessione (Kondratieff) nei quali le innovazioni giocano un ruolo fondamentale di trascinamento dello sviluppo economico. Tra gli esempi più rilevanti di questi meccanismi assai regolari vi sono le curve dell’evoluzione dei consumi mondiali delle varie fonti energetiche fossili che si sono succedute e confrontate sull’arco di oltre due secoli (periodo oltre il quale le informazioni statistiche non consentono di ricostruire dati attendibili): legno, carbone, petrolio, gas naturale, energia nucleare. In riferimento alla competizione tra fonti si deve tuttavia rilevare che, a fronte di comportamenti molto “regolari” per oltre un centinaio di anni, negli ultimi due decenni sono rilevabili alcune irregolarità che richiederebbero approfondimenti e, molto probabilmente, l’introduzione di nuovi paramenti nella modellizzazione analitica.
L’analisi di scenari di lungo termine con modelli bottom-up.
L’analisi dell’evoluzione temporale dei sistemi energetici è stata affrontata in diversi ambiti di ricerca, a partire dagli anni ’70, applicando le metodologie della Programmazione Lineare, ritenute uno degli strumenti più efficaci per affrontare problemi di allocazione ottimale di risorse limitate. Infatti, da un lato, le risorse e le tecnologie energetiche sono esse stesse limitate nello spazio e nel tempo; dall’altro, interessa porre limiti anche alle emissioni di sostanze inquinanti e ai loro impatti sulle varie componenti ambientali; infine, per quanto riguarda la componente economica del problema, la funzione obiettivo che si vuole ottimizzare è il costo totale del sistema, relativamente ai settori di offerta e a quelli di domanda di servizi energetici.
Per tutti questi motivi, sono state sviluppate diverse applicazioni che analizzano le interazioni energia/economia/ ambiente con una modellistica bottom-up, caratterizzata da un elevato dettaglio nella descrizione delle componenti tecnologiche dei sistemi energetici; per cui i modelli sono, a volte, definiti “ingegneristici”, per distinguerli da quelli top-down, prodotti prevalentemente in ambito economico nei quali il sistema energetico è descritto in modo estremamente semplificato. Questi modelli possono essere sia di equilibrio economico parziale (la domanda di servizi energetici è determinata in modo esogeno), sia completamente integrati con il sistema macro-economico (modelli Macro, che stimano le relazioni tra lo sviluppo macroeconomico e gli usi energetici).
In base a criteri definiti dall’analista, vengono presi in considerazione i diversi processi (tecnologie) e vettori energetici operanti nel sistema in esame e ne sono descritte in modo dettagliato le caratteristiche tecnologiche, economiche ed ambientali. La procedura di Programmazione Lineare consente di analizzare l’evoluzione del sistema nel medio e lungo periodo in grado di soddisfare, in condizioni ottimali (minimo costo, ad esempio) le domande di servizi energetici, utilizzando le tecnologie e le risorse disponibili e/o previste, nel quadro dell’insieme di vincoli imposti alle risorse stesse e alle emissioni. Oltre agli studi su scenari a prevalente carattere ambientale (ad es. per la realizzazione degli obiettivi dei vari protocolli internazionali), vengono analizzati gli effetti delle varie politiche nazionali (e la loro applicabilità regionale) in campo energetico (incentivi, tassazioni, evoluzione della normativa ambientale, ..). MESSAGE e MARKALTIMES sono le due famiglie di modelli bottom-up più diffusi. MESSAGEiv è stato prodotto in ambito IIASA ed è stato adottato da IPCC per gli studi che hanno condotto allo Special Report on Emission Scenarios del 2000. Ha avuto numerose applicazioni a diversa scala territoriale. MARKALv è stato prodotto nell’ambito di una collaborazione tra il Brookhaven National Laboratory (BNL), negli USA, e il Centro di Ricerca (JRC) europeo di Julich in Germania, ed è stato poi sviluppato, in tutte le sue varianti, all’interno di un programma dell’Agenzia Internazionale dell’Energia denominato ETSAPvi. MARKAL ha avuto numerose applicazioni a livello sia nazionale, con oltre 160 gruppi di ricerca in più di 40 contesti (praticamente in tutti i paesi OCSE nonché in Cina, India, Sud Africa, ...), che sovra-nazionale.
IEA lo utilizza per il World Energy Outlook e in molteplici altri programmi; il DoE statunitense l’ha utilizzato per costruire un modello mondiale a 15 Regioni denominato SAGE (System for the Analysis of Global Energy markets). La Comunità Europea ne ha promosso l’utilizzazione in uno studio sugli sviluppi della fusione nucleare (EFDA - European Fusion Development Agreement) e nel Programma Integrato NEEDS (New Energy Externalities for Developments in Sustainabily), per la costruzione del modello energetico pan-Europeo (PEM EU 27+); attualmente vengono implementate estensioni e applicazioni per lo studio delle prospettive dei programmi europei sulle fonti rinnovabili (RES2020 – Monitoring and Evaluation of the RES directives implementation in EU27+ and policy recommendations for 2020) e per l’analisi dei corridoi energetici per l’Europa e della loro sicurezza e affidabilità (REACCESS - Risk of Energy Availability: Common Corridors for Europe Supply Security).
In Italia, esistono una versione MARKAL-MACRO nazionale e alcuni modelli TIMES Regionali (Piemonte, Lombardia) e locali; recentemente è stata inoltre condotta una ricerca (MATISSE) sul sistema elettrico nazionale per la quale è stato realizzato un modello TIMES multi-grid, a 20 regioni, con proiezioni della domanda di servizi elettrici sino al 2030. Nelle figure seguenti sono riportati: uno schema (molto ridotto, in quanto lo schema completo descrive centinaia di tecnologie) di un generico sistema energetico di riferimento e una parte delle matrici utilizzate in MATISSE per i singoli sistemi regionali.
Riferimenti bibliografici
MARKAL-TIMES: www.etsap.org
MESSAGE: www.iiasa.ac.at
I Organizzazione multi-nazionale, avente sede a Laxenburg, nei pressi di Vienna, fondata nel 1972 e attualmente sostenuta economicamente da 18 Paesi (tra cui USA, Russia, Cina, Brasile, Sud Africa e molti paesi europei), che svolge ricerche multi-disciplinari su aspetti particolari delle tematiche ambientali, economiche, tecnologiche e sociali nel contesto del cambiamento climatico.
II Energy Technology Systems Analysis Programme: un IEA-Implementing Agreement costituitosi nel 1976. E’un consorzio di gruppi di ricerca prevalentemente appartenenti a paesi membri IEA-OECD che cooperano per progettare e sviluppare modelli multi-regionali di natura energetica, economica e ambientale ad elevato dettaglio tecnologico.
III Intergovernamental Panel on Climate Change: una entità scientifica intergovernativa realizzata nel 1988 congiuntamente dalla World Meteorological Organization (WMO) e dal programma ambientale delle Nazioni Unite (UNEP).
IV Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact: sviluppato a partire dal 1995 da IIASA.
V All’origine MARket ALlocation; successivamente TIMES - The Integrated MARKAL EFOM Energy System.
VI Energy Technology Systems Analysis Programme, un Implementi Agreement IEA dedicato allo sviluppo di MARKAL-TIMES.
Le interazioni energia/economia hanno iniziato ad essere un tema di rilievo, non solo in ambito politicoeconomico ma anche per la riflessione scientifica, attorno agli anni ’70, in concomitanza con il prodursi di una serie di crisi internazionali che hanno visto come attori principali, da un lato, i paesi produttori ed esportatori di risorse energetiche e, dall’altro, i paesi ad elevato sviluppo industriale che di queste risorse sono i maggiori consumatori e importatori. Contemporaneamente, sono diventate sempre più forti le preoccupazioni per le dimensioni assunte dallo sviluppo del consumo delle risorse energetiche fossili e per le relative conseguenze ambientali, sia globali che locali.
E’ tuttavia singolare come i complessi rapporti tra energia ed economia possano, in alcuni casi, essere ridotti a correlazioni molto semplici tra alcuni indicatori: ciò si verifica, ad esempio, quando si analizza l’andamento temporale del contenuto energetico del prodotto interno lordo dei vari paesi: il trend decrescente, comune a tutte le economie già sviluppate, come a quelle per le quali lo sviluppo tecnologico è ancora in atto, costituisce una caratteristica talmente evidente al punto che si può parlare di una generale de-energizzazione delle economie, coerentemente ad un insieme di comportamenti che sono comuni alle principali materie prime (per le quali si parla di una generale de-materializzazione delle economie).
Analogamente, sono stati individuati comportamenti omogenei e ben rappresentabili analiticamente nelle modalità con cui le tecnologie di più largo impiego nel settore energetico si sviluppano nel mercato globale: ad esempio, i costi di investimento seguono una generale tendenza alla riduzione al crescere della loro diffusione. Tale “fenomeno” è stato definito “technology learning” e viene analizzato in dettaglio per trarre previsioni sull’evoluzione attesa di quelle tecnologie che sono ancora in fase iniziale di “penetrazione”. La diffusione stessa delle tecnologie è stata studiata per evidenziarne i meccanismi di base.
Tra le metodologie e gli strumenti che sono stati prodotti negli ultimi decenni per contribuire ad approfondire la conoscenza delle interrelazioni tra Economia, Energia e Ambiente e consentire l’analisi di scenari di medio e lungo periodo utili per guidare le scelte politiche a livello nazionale e internazionale, ve ne sono due che ritengo particolarmente rilevanti e meritevoli di attenzione. Il primo fa riferimento ad un insieme di studi condotti, a partire dagli anni ’80, prevalentemente presso lo IIASA (Institute for Applied System Analysis)i, ove ha operato una equipe di ricercatori che hanno analizzato la competizione tra tecnologie e fonti energetiche applicando modelli di sostituzione di tipo logistico.
Il secondo riguarda invece l’attività svolta in diversi contesti internazionali, tra i quali l’IEAii (International Energy Agency) e il già citato IIASA insieme all’IPCCiii dove sono state sviluppate e applicate alcune “filiere” di modelli, basati su metodologie affini, in grado di analizzare scenari di lungo termine di sistemi energetici caratterizzati da un elevato dettaglio tecnologico. Nei due paragrafi successivi sono descritti brevemente le metodologie e gli strumenti relativi, nonché le principali applicazioni e i risultati ottenuti.
La competizione tra tecnologie e fonti energetiche e i modelli di sostituzione di tipo logistico.
L’idea base del meccanismo della competizione tra tecnologie e fonti nel settore energetico, è stata tratta dalla modellizzazione, in campo ecologico, della diffusione di una specie nel proprio habitat (nicchia) e, in forma più complessa, della competizione tra varie specie, con la dinamica preda-predatore come caso particolare.
Nel campo energetico, e più in generale, in quello tecnologico, la diffusione di una nuova tecnologia procederebbe seguendo l’andamento temporale di una curva ad S, o logistica, nella quale si individuano tre stadi: una lenta crescita iniziale, durante la quale la nuova tecnologia deve “dimostrare” la propria superiorità rispetto alle tecnologie con cui compete per le stesse finalità; un periodo di rapida crescita, una volta che tale superiorità sia stata dimostrata; infine, la crescita rallenta e si raggiunge un limite superiore determinato da fattori tecnologici e socio-economici. Le analisi svolte in IIASA hanno evidenziato che un numero considerevole di innovazioni tecnologiche si sono diffuse nel “mercato”(inizialmente nazionale, ma più recentemente mondiale) seguendo queste fasi, con assoluta regolarità.
Tra l’altro, nella maggior parte dei casi, il “ritardo” tra la dimostrazione di fattibilità di una innovazione e il vero avvio della sua “penetrazione” nel mercato è stato ed è tuttora compreso in un ristretto intervallo temporale, tra 10 e 15 anni.
Inoltre, questi “impulsi” tecnologici si raggruppano e prendono avvio in particolari momenti di quelli che sono stati individuati come veri e propri cicli economici di espansione e recessione (Kondratieff) nei quali le innovazioni giocano un ruolo fondamentale di trascinamento dello sviluppo economico. Tra gli esempi più rilevanti di questi meccanismi assai regolari vi sono le curve dell’evoluzione dei consumi mondiali delle varie fonti energetiche fossili che si sono succedute e confrontate sull’arco di oltre due secoli (periodo oltre il quale le informazioni statistiche non consentono di ricostruire dati attendibili): legno, carbone, petrolio, gas naturale, energia nucleare. In riferimento alla competizione tra fonti si deve tuttavia rilevare che, a fronte di comportamenti molto “regolari” per oltre un centinaio di anni, negli ultimi due decenni sono rilevabili alcune irregolarità che richiederebbero approfondimenti e, molto probabilmente, l’introduzione di nuovi paramenti nella modellizzazione analitica.
L’analisi di scenari di lungo termine con modelli bottom-up.
L’analisi dell’evoluzione temporale dei sistemi energetici è stata affrontata in diversi ambiti di ricerca, a partire dagli anni ’70, applicando le metodologie della Programmazione Lineare, ritenute uno degli strumenti più efficaci per affrontare problemi di allocazione ottimale di risorse limitate. Infatti, da un lato, le risorse e le tecnologie energetiche sono esse stesse limitate nello spazio e nel tempo; dall’altro, interessa porre limiti anche alle emissioni di sostanze inquinanti e ai loro impatti sulle varie componenti ambientali; infine, per quanto riguarda la componente economica del problema, la funzione obiettivo che si vuole ottimizzare è il costo totale del sistema, relativamente ai settori di offerta e a quelli di domanda di servizi energetici.
Per tutti questi motivi, sono state sviluppate diverse applicazioni che analizzano le interazioni energia/economia/ ambiente con una modellistica bottom-up, caratterizzata da un elevato dettaglio nella descrizione delle componenti tecnologiche dei sistemi energetici; per cui i modelli sono, a volte, definiti “ingegneristici”, per distinguerli da quelli top-down, prodotti prevalentemente in ambito economico nei quali il sistema energetico è descritto in modo estremamente semplificato. Questi modelli possono essere sia di equilibrio economico parziale (la domanda di servizi energetici è determinata in modo esogeno), sia completamente integrati con il sistema macro-economico (modelli Macro, che stimano le relazioni tra lo sviluppo macroeconomico e gli usi energetici).
In base a criteri definiti dall’analista, vengono presi in considerazione i diversi processi (tecnologie) e vettori energetici operanti nel sistema in esame e ne sono descritte in modo dettagliato le caratteristiche tecnologiche, economiche ed ambientali. La procedura di Programmazione Lineare consente di analizzare l’evoluzione del sistema nel medio e lungo periodo in grado di soddisfare, in condizioni ottimali (minimo costo, ad esempio) le domande di servizi energetici, utilizzando le tecnologie e le risorse disponibili e/o previste, nel quadro dell’insieme di vincoli imposti alle risorse stesse e alle emissioni. Oltre agli studi su scenari a prevalente carattere ambientale (ad es. per la realizzazione degli obiettivi dei vari protocolli internazionali), vengono analizzati gli effetti delle varie politiche nazionali (e la loro applicabilità regionale) in campo energetico (incentivi, tassazioni, evoluzione della normativa ambientale, ..). MESSAGE e MARKALTIMES sono le due famiglie di modelli bottom-up più diffusi. MESSAGEiv è stato prodotto in ambito IIASA ed è stato adottato da IPCC per gli studi che hanno condotto allo Special Report on Emission Scenarios del 2000. Ha avuto numerose applicazioni a diversa scala territoriale. MARKALv è stato prodotto nell’ambito di una collaborazione tra il Brookhaven National Laboratory (BNL), negli USA, e il Centro di Ricerca (JRC) europeo di Julich in Germania, ed è stato poi sviluppato, in tutte le sue varianti, all’interno di un programma dell’Agenzia Internazionale dell’Energia denominato ETSAPvi. MARKAL ha avuto numerose applicazioni a livello sia nazionale, con oltre 160 gruppi di ricerca in più di 40 contesti (praticamente in tutti i paesi OCSE nonché in Cina, India, Sud Africa, ...), che sovra-nazionale.
IEA lo utilizza per il World Energy Outlook e in molteplici altri programmi; il DoE statunitense l’ha utilizzato per costruire un modello mondiale a 15 Regioni denominato SAGE (System for the Analysis of Global Energy markets). La Comunità Europea ne ha promosso l’utilizzazione in uno studio sugli sviluppi della fusione nucleare (EFDA - European Fusion Development Agreement) e nel Programma Integrato NEEDS (New Energy Externalities for Developments in Sustainabily), per la costruzione del modello energetico pan-Europeo (PEM EU 27+); attualmente vengono implementate estensioni e applicazioni per lo studio delle prospettive dei programmi europei sulle fonti rinnovabili (RES2020 – Monitoring and Evaluation of the RES directives implementation in EU27+ and policy recommendations for 2020) e per l’analisi dei corridoi energetici per l’Europa e della loro sicurezza e affidabilità (REACCESS - Risk of Energy Availability: Common Corridors for Europe Supply Security).
In Italia, esistono una versione MARKAL-MACRO nazionale e alcuni modelli TIMES Regionali (Piemonte, Lombardia) e locali; recentemente è stata inoltre condotta una ricerca (MATISSE) sul sistema elettrico nazionale per la quale è stato realizzato un modello TIMES multi-grid, a 20 regioni, con proiezioni della domanda di servizi elettrici sino al 2030. Nelle figure seguenti sono riportati: uno schema (molto ridotto, in quanto lo schema completo descrive centinaia di tecnologie) di un generico sistema energetico di riferimento e una parte delle matrici utilizzate in MATISSE per i singoli sistemi regionali.
Riferimenti bibliografici
MARKAL-TIMES: www.etsap.org
MESSAGE: www.iiasa.ac.at
I Organizzazione multi-nazionale, avente sede a Laxenburg, nei pressi di Vienna, fondata nel 1972 e attualmente sostenuta economicamente da 18 Paesi (tra cui USA, Russia, Cina, Brasile, Sud Africa e molti paesi europei), che svolge ricerche multi-disciplinari su aspetti particolari delle tematiche ambientali, economiche, tecnologiche e sociali nel contesto del cambiamento climatico.
II Energy Technology Systems Analysis Programme: un IEA-Implementing Agreement costituitosi nel 1976. E’un consorzio di gruppi di ricerca prevalentemente appartenenti a paesi membri IEA-OECD che cooperano per progettare e sviluppare modelli multi-regionali di natura energetica, economica e ambientale ad elevato dettaglio tecnologico.
III Intergovernamental Panel on Climate Change: una entità scientifica intergovernativa realizzata nel 1988 congiuntamente dalla World Meteorological Organization (WMO) e dal programma ambientale delle Nazioni Unite (UNEP).
IV Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact: sviluppato a partire dal 1995 da IIASA.
V All’origine MARket ALlocation; successivamente TIMES - The Integrated MARKAL EFOM Energy System.
VI Energy Technology Systems Analysis Programme, un Implementi Agreement IEA dedicato allo sviluppo di MARKAL-TIMES.