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Sistemi complessi, energia, comunicazione e tecnologie
Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Sistemi complessi e dinamiche statistiche delle
innovazioni energetiche e tecnologiche
Renato Guseo1
1 Dipartimento
di Scienze Statistiche
Università degli Studi di Padova
Agripolis, Legnaro, 28 febbraio 2014
Centro studi di economia e tecnica
dell’energia Giorgio Levi Cases
Università degli Studi di Padova
R. Guseo
Statistica e Tecnologie Energetiche
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Sistemi complessi, energia, comunicazione e tecnologie
Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Outline
1
Sistemi complessi, energia, comunicazione e tecnologie
2
Terza rivoluzione industriale
3
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
4
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
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Statistica e Tecnologie Energetiche
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Sistemi complessi, energia, comunicazione e tecnologie
Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Sistemi complessi
terminologia
I sistemi complessi in generale, e i sistemi sociali in
particolare, si fondano su specifiche modalità d’interazione
e di comunicazione tra agenti eterogenei.
La stratificazione gerarchica degli agenti definisce la
struttura del sistema e l’organizzazione locale.
Singoli individui, famiglie, imprese, istituzioni, gruppi,
associazioni sono esempi di agenti a differente livello di
aggregazione nei sistemi socio-economici.
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Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Innovazione
comunicazione e controllo
Un’innovazione tecnologica o sociale definisce un nuovo
meccanismo, prodotto o servizio che incrementa il
benessere dei singoli agenti o di particolari gruppi.
Ma che cosa si comunica e si controlla mediante le reti di
relazione? Si valutano caratteristiche e validità delle
innovazioni.
La forma e le modalità della comunicazione facilitano il
coordinamento tra gli agenti e condizionano le dinamiche
temporali e dimensionali di adozione o rifiuto
dell’innovazione.
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Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Energia e comunicazione
collegamento storico 1
Ai grandi sistemi di comunicazione si correlano
storicamente le fonti energetiche e le tecnologie
fondamentali derivate che hanno reso possibili le
civilizzazioni.
L’origine della scrittura e le tecnologie idrauliche legate
all’agricoltura e al trasposto navale costituiscono un
esempio confermato in molte culture del passato.
La comunicazione a stampa e la telegrafia elettrica
congiuntamente alla prima rivoluzione industriale
(1820-1880) collegata allo sfruttamento del carbone, del
vapore e della ferrovia hanno evidenziato nuovamente il
collegamento ipotizzato.
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Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Energia e comunicazione
collegamento storico 2
La comunicazione telegrafica senza fili, radiofonica,
telefonica e televisiva, caratteristica centrale della seconda
rivoluzione industriale nel XX secolo, è associata al
petrolio al gas metano e al motore a combustione interna.
Organizzazione socio-economica: alta concentrazione di
capitale e strutture di controllo fortemente gerarchiche.
Si conferma ancora la rilevanza del collegamento
funzionale tra sistemi di comunicazione e tecnologie
energetiche dominanti.
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Comunicazione ed Energie
collegamento in fieri
Della terza rivoluzione industriale si vedono i primi segnali
a partire da due fattori principali.
Il primo - dal lato della comunicazione - evidenzia lo
sviluppo di una forma distribuita di interazione a controllo
non centralizzato che consente il coordinamento a
distanza a costi ridotti: Internet, e-mail, social networks,
video comunicazione sono il riferimento più evidente.
Il secondo - dal lato dei driver energetici - si fonda sullo
sfruttamento di forme di energia distribuita e rinnovabile: il
fotovoltaico, il solare termico, l’idroelettrico, l’eolico, il
geotermico, le biomasse, i moti ondosi, ecc.. Queste fonti
sono ubiquitarie ed a basso tenore di concentrazione
energetica.
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Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Depletion e migrazione energetica
criticità driver energetici correnti
Il passaggio a forme di energia distribuita appare
necessario alla luce dello studio delle dinamiche di
diffusione e sfruttamento del petrolio e del gas metano in
via di esaurimento nelle prossime due o tre decadi.
Anche il nucleare a fissione, il cui apporto nell’immediato è
piuttosto limitato (qualche punto percentuale sul
fabbisogno energetico), è in fase di dismissione per
l’oggettiva contrazione delle riserve di uranio 235 e per gli
alti costi di gestione della sicurezza, in generale, e delle
scorie residue, in particolare.
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Terza rivoluzione industriale
Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Depletion e migrazione energetica
stima e previsioni condizionate 1
Figura: British oil depletion: GBM with two shocks (ex Guseo, R. Dalla Valle, A.
(2005). Statistical Methods and Applications, 14, 375–387).
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Depletion e migrazione energetica
stima e previsioni condizionate 2
Figura: Comparison between a two-wave world oil model and the corresponding
one-wave GBM. Data sources: Campbell and BP’s daily production in thousand
barrels: 1900–2008 (ex Guseo, R. (2011). Energy Policy, 39(9), 5572-5577).
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Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Depletion e migrazione energetica
stima e previsioni condizionate 3
Figura: Algerian natural gas production: GBMBMM model (ex Guseo, Mortarino,
Darda (2014). Technological Forecasting and Social Change
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Terza rivoluzione industriale
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Depletion e migrazione energetica
necessità della transizione
La necessità della transizione si fonda quindi su alcuni
aspetti critici che confermano la situazione di stallo:
dopo migliaia di anni l’umanità ha beneficiato per un
secolo e mezzo di una risorsa energetica ad alto
rendimento, risorsa che non è riproducibile sulla scala dei
tempi ordinaria.
Tale transizione apre pertanto sfide scientifiche, umane e
sociali di grande impatto (Horizon 2020: Societal
Challenge). Non siamo certi di farcela ma quasi
certamente non esiste un piano B.
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Terza rivoluzione industriale
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Popolazione e clima
criticità in dettaglio 1
Quali sono i problemi critici dovuti in larga parte allo sviluppo
indotto dalle due precedenti rivoluzioni industriali?
1) La crescita della popolazione quasi senza controllo in
molte aree;
Popolazione
Anno
Anni trascorsi
1
1804
-
2
1927
123
Stime della popolazione mondiale: in miliardi.
3
4
5
6
7
1961
1974
1987
1999
2011
34
13
13
12
12
Fonte ONU
8
9
2024
2042
13
18
2) Il cambiamento climatico indotto da attività umane
(industria, agricoltura industrializzata, allevamenti intensivi,
mobilità individuale diffusa, globalizzazione dei processi
produttivi, ecc.);
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Finanza e geopolitica
criticità in dettaglio 2
3) la crescita, senza garanzie reali, del debito contratto
soprattutto nei paesi poveri ma non solo (si veda ad
esempio l’elevato grado di indebitamento pubblico pro
capite negli USA ed in molti paesi europei). Crescita
virtuale fondata in ultima istanza sul
sovradimensionamento finanziario delle stime delle riserve
convenzionali e non convenzionali di combustibili fossili
efficienti;
4) la crescente instabilità politico strategica nei paesi
produttori marginali di petrolio e gas metano;
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Idrocarburi non convenzionali, carbone
criticità in dettaglio 3
5) l’imminenza di una fase di depletion evidenziata e acuita
dal ricorso ai petroli pesanti e/o ad alto costo di estrazione
e raffinazione (heavy oils, deepwater oils, ultra-deepwater
oils, shale oils and gas, fracking);
6) la riattivazione dello sfruttamento del carbone come
emerge da studi recenti. Oggi la Cina estrae il 50% della
produzione mondiale e complessivamente tale processo di
estrazione è in ripresa dopo un rallentamento per
parecchie decadi agevolato dalla disponibilità di crude oil e
gas metano.
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Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Idrocarburi non convenzionali, carbone
criticità in dettaglio 4
Queste due ultime prospettive (petroli costosi e pesanti,
rinascita del carbone) sono sostenute nei fatti a livello
mondiale e possono aggravare senza ritorno l’equilibrio
bio-climatico.
I tentativi di indirizzo alternativo e di mitigazione sostenuti
dalla diplomazia internazionale, spesso in forma rituale,
non hanno sortito effetti durevoli e condivisi per le note
posizioni degli USA e della Cina.
Quali errori evitare ora?
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Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.
Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Quali errori evitare ora?
strategie poco sostenibili 1
La produzione di biocombustibili e biogas evidenzia un
conflitto insanabile dovuto alla limitatezza delle terre arabili
e alla competizione allocativa con il cibo destinato
all’uomo.
Un secondo aspetto concerne le difficoltà di controllo sullo
sviluppo (anche in parte artificiale) di microorganismi
digestori con potenziali rischi gravi per la salute.
Il sequestro e l’immagazzinamento sotterraneo di CO2 è
ritenuto commercialmente non conveniente come
dimostrano alcuni esempi recenti e le inversioni di marcia
di molti paesi, tra i quali gli USA.
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Quali errori evitare ora?
strategie poco sostenibili 2
La presunta nuclear renaissance pare non avere nessuna
evidenza a sostegno.
I principali paesi utilizzatori (USA, Francia e Giappone,
complessivamente gestori del 50% dei reattori mondiali)
non stanno più incentivando di fatto nuove installazioni o
stanno prolungando come in USA e in Giappone la vita
tecnica degli impianti da 40 a 60 anni (upgrade).
La Germania e altri paesi come la Svizzera e il Belgio
attuano una politica di dismissione. Il Giappone dopo
Fukushima (marzo 2011) ha spento per due anni i suoi 50
impianti non colpiti e dovrebbe riattivarne 24.
Solo la Cina, l’India e la Korea vanno nella direzione
opposta ma il fenomeno appare contenuto.
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Quali errori evitare ora?
nuclear energy 1
Figura: The USA: Effects of Fukushima accident on the diffusion of nuclear energy:
GGM model (ex Furlan, Guidolin, Guseo (2014). 47th Scientific Meeting of Italian
Statistical Society, Cagliari 11th-13th of June, 2014).
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Quali errori evitare ora?
nuclear energy 2
Figura: France: Effects of Fukushima accident on the diffusion of nuclear energy:
GGM model (ex Furlan, Guidolin, Guseo (2014). 47th Scientific Meeting of Italian
Statistical Society, Cagliari 11th-13th of June, 2014).
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Quali errori evitare ora?
nuclear energy 3
Figura: Germany: Effects of Fukushima accident on the diffusion of nuclear energy:
GGBM model (ex Furlan, Guidolin, Guseo (2014). 47th Scientific Meeting of Italian
Statistical Society, Cagliari 11th-13th of June, 2014).
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Che fare?
strategie 1
L’eccessiva produzione di carne per l’alimentazione umana
sembra confliggere con la disponibilità di terreno arabile,
allungando inutilmente la catena alimentare e ampliando i
costi complessivi delle nazioni.
Una dieta più equilibrata e più fondata sui vegetali e le loro
proteine può consentire la riduzione al necessario
dell’apporto di proteine di origine animale.
Gli edifici concepiti, progettati e costruiti nel secolo scorso
debbono essere riconvertiti su più piani sia in termini di
efficienza energetica sia in termini di produzione locale di
energia elettrica o calore.
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Che fare?
strategie 2
Naturalmente questo è un tema vastissimo che si collega
allo scambio locale di energia in eccesso mediante reti
bidirezionali e allo sviluppo di sistemi di
immagazzinamento mediante conversione di
sovrapproduzioni di picco basate su opportuni carrier (ad
esempio l’idrogeno).
La mobilità pubblica ed individuale dovrà coordinarsi con
un nuovo modo di rendere disponibile l’energia.
Mobilità elettrica e a celle di combustibile sembrano
definire una direzione promettente.
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Che fare?
strategie 3
Quali alternative? Idroelettrico, fotovoltaico, eolico,
geotermico, biocombustibili, ...
Figura: New schools of fish: Diffusion dynamics of energy sources.
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Che fare?
fotovoltaico 1
Figura: The USA: Photovoltaic consumption in Mtoe. NB2Bemm2 (ex Guseo, 2014).
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Che fare?
fotovoltaico 2
Figura: Germany: Photovoltaic consumption in Mtoe. NB model (ex Guseo, 2014).
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Che fare?
fotovoltaico 3
Figura: China: Photovoltaic consumption in Mtoe. NBbemm2 model (ex Guseo,
2014).
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Che fare?
alcune indicazioni 1
In ogni caso l’imminente migrazione va favorita con
decisioni strategiche illuminate e sovranazionali.
Il blocco inerziale che il paradigma corrente, sempre meno
sostenibile, impone alle nuove iniziative impedisce il loro
naturale sviluppo in un ambiente competitivo atto a
saggiarne l’efficienza e l’efficacia a lungo termine.
La Statistica moderna è una disciplina che affronta
pragmaticamente lo sviluppo delle conoscenze operative
per facilitare decisioni manageriali ed individuali e per
orientare processi di innovazione e controllo nei più
differenti contesti e, nello specifico, sui temi dell’energia
quale driver primario dei sistemi socio-economici passati,
presenti e futuri.
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Che fare?
alcune indicazioni 2
Modelli di diffusione di innovazioni regionali e
cross-country,
Produzione e consumi di crude oils, heavy oils, shale oils,
Produzione e consumo di gas naturale e shale gas,
Produzione e consumo di carbone,
Energia nucleare in Europa e strategie dei singoli paesi,
Energia nucleare in Germania. Modelli di
competizione/sostituzione con l’energia eolica e
fotovoltaica,
Diffusione della geotermia,
Diffusione e dinamiche dei biocombustibili,
Energia eolica e fotovoltaica.
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Innovation Diffusion
temi 1
Tecnologie emergenti in ambito energetico: fotovoltaico,
eolico, biomasse, micro-cogenerazione, biocombustibili,
ecc.. Modelli di diffusione a ciclo di vita limitato e
modulazione degli interventi. Controllo di significatività
delle politiche incentivanti. Stime degli effetti. Generazioni
tecnologiche successive. Modelli Agent-Based e modelli
differenziali, NLS-ARMAX
Modelli di diffusione sincronici e diacronici per tecnologie
energetiche cooperative, competitive o sostitutive.
Caratterizzazione dei sistemi. Inferenza multivariata nei
sistemi non lineari corrispondenti.
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Staff
The research group is defined as follows:
Renato Guseo (Full Professor in Statistics);
Cinzia Mortarino (PhD, Associate Prof. in Statistics);
Alessandra Dalla Valle (PhD, Assistant Prof. in Statistics);
Claudia Furlan (PhD, Assistant Prof. in Statistics);
Mariangela Guidolin (PhD, Assistant Prof. in Economic
Statistics).
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Diffusion of innovations modelling
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Guidolin, M., Guseo, R. (2013) Modelling Seasonality in Innovation Diffusion,
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Guidolin, M., Guseo, R. (2012) A nuclear power renaissance? Technological
Forecasting and Social Change, 79(9), 1746-1760;
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Energy Model. Energy Policy, 39(9), 5572-5577.
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Diffusion of innovations modelling
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Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.
Diffusion of innovations modelling
References 3
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Mathematics , (In press, available online)
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