Sistemi complessi e dinamiche statistiche delle...

Sistemi complessi, energia, comunicazione e tecnologieTerza rivoluzione industriale

Criticità delle fonti non rinnovabili. Prospettive emergenti.Competizione e diffusione di innovazioni energetiche.

Sistemi complessi e dinamiche statistiche delleinnovazioni energetiche e tecnologiche

Renato Guseo1

1Dipartimento di Scienze StatisticheUniversità degli Studi di Padova

Agripolis, Legnaro, 28 febbraio 2014Centro studi di economia e tecnica

dell’energia Giorgio Levi CasesUniversità degli Studi di Padova

R. Guseo Statistica e Tecnologie Energetiche 1/ 34



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.




Sistemi complessiterminologia

I sistemi complessi in generale, e i sistemi sociali inparticolare, si fondano su specifiche modalità d’interazionee di comunicazione tra agenti eterogenei.La stratificazione gerarchica degli agenti definisce lastruttura del sistema e l’organizzazione locale.Singoli individui, famiglie, imprese, istituzioni, gruppi,associazioni sono esempi di agenti a differente livello diaggregazione nei sistemi socio-economici.




Innovazionecomunicazione e controllo

Un’innovazione tecnologica o sociale definisce un nuovomeccanismo, prodotto o servizio che incrementa ilbenessere dei singoli agenti o di particolari gruppi.Ma che cosa si comunica e si controlla mediante le reti direlazione? Si valutano caratteristiche e validità delleinnovazioni.La forma e le modalità della comunicazione facilitano ilcoordinamento tra gli agenti e condizionano le dinamichetemporali e dimensionali di adozione o rifiutodell’innovazione.




Energia e comunicazionecollegamento storico 1

Ai grandi sistemi di comunicazione si correlanostoricamente le fonti energetiche e le tecnologiefondamentali derivate che hanno reso possibili lecivilizzazioni.L’origine della scrittura e le tecnologie idrauliche legateall’agricoltura e al trasposto navale costituiscono unesempio confermato in molte culture del passato.La comunicazione a stampa e la telegrafia elettricacongiuntamente alla prima rivoluzione industriale(1820-1880) collegata allo sfruttamento del carbone, delvapore e della ferrovia hanno evidenziato nuovamente ilcollegamento ipotizzato.




Energia e comunicazionecollegamento storico 2

La comunicazione telegrafica senza fili, radiofonica,telefonica e televisiva, caratteristica centrale della secondarivoluzione industriale nel XX secolo, è associata alpetrolio al gas metano e al motore a combustione interna.Organizzazione socio-economica: alta concentrazione dicapitale e strutture di controllo fortemente gerarchiche.Si conferma ancora la rilevanza del collegamentofunzionale tra sistemi di comunicazione e tecnologieenergetiche dominanti.




Comunicazione ed Energiecollegamento in fieri

Della terza rivoluzione industriale si vedono i primi segnalia partire da due fattori principali.Il primo - dal lato della comunicazione - evidenzia losviluppo di una forma distribuita di interazione a controllonon centralizzato che consente il coordinamento adistanza a costi ridotti: Internet, e-mail, social networks,video comunicazione sono il riferimento più evidente.Il secondo - dal lato dei driver energetici - si fonda sullosfruttamento di forme di energia distribuita e rinnovabile: ilfotovoltaico, il solare termico, l’idroelettrico, l’eolico, ilgeotermico, le biomasse, i moti ondosi, ecc.. Queste fontisono ubiquitarie ed a basso tenore di concentrazioneenergetica.




Depletion e migrazione energeticacriticità driver energetici correnti

Il passaggio a forme di energia distribuita apparenecessario alla luce dello studio delle dinamiche didiffusione e sfruttamento del petrolio e del gas metano invia di esaurimento nelle prossime due o tre decadi.Anche il nucleare a fissione, il cui apporto nell’immediato èpiuttosto limitato (qualche punto percentuale sulfabbisogno energetico), è in fase di dismissione perl’oggettiva contrazione delle riserve di uranio 235 e per glialti costi di gestione della sicurezza, in generale, e dellescorie residue, in particolare.




Depletion e migrazione energeticastima 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).





Figura: Comparison between a two-wave world oil model and the correspondingone-wave GBM. Data sources: Campbell and BP’s daily production in thousandbarrels: 1900–2008 (ex Guseo, R. (2011). Energy Policy, 39(9), 5572-5577).





Figura: Algerian natural gas production: GBMBMM model (ex Guseo, Mortarino,Darda (2014). Technological Forecasting and Social Change




Depletion e migrazione energeticanecessità della transizione

La necessità della transizione si fonda quindi su alcuniaspetti critici che confermano la situazione di stallo:dopo migliaia di anni l’umanità ha beneficiato per unsecolo e mezzo di una risorsa energetica ad altorendimento, risorsa che non è riproducibile sulla scala deitempi ordinaria.Tale transizione apre pertanto sfide scientifiche, umane esociali di grande impatto (Horizon 2020: SocietalChallenge). Non siamo certi di farcela ma quasicertamente non esiste un piano B.




Popolazione e climacriticità in dettaglio 1

Quali sono i problemi critici dovuti in larga parte allo sviluppoindotto dalle due precedenti rivoluzioni industriali?

1) La crescita della popolazione quasi senza controllo inmolte aree;

Stime della popolazione mondiale: in miliardi. Fonte ONUPopolazione 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Anno 1804 1927 1961 1974 1987 1999 2011 2024 2042Anni trascorsi - 123 34 13 13 12 12 13 18

2) Il cambiamento climatico indotto da attività umane(industria, agricoltura industrializzata, allevamenti intensivi,mobilità individuale diffusa, globalizzazione dei processiproduttivi, ecc.);




Finanza e geopoliticacriticità in dettaglio 2

3) la crescita, senza garanzie reali, del debito contrattosoprattutto nei paesi poveri ma non solo (si veda adesempio l’elevato grado di indebitamento pubblico procapite negli USA ed in molti paesi europei). Crescitavirtuale fondata in ultima istanza sulsovradimensionamento finanziario delle stime delle riserveconvenzionali e non convenzionali di combustibili fossiliefficienti;4) la crescente instabilità politico strategica nei paesiproduttori marginali di petrolio e gas metano;




Idrocarburi non convenzionali, carbonecriticità in dettaglio 3

5) l’imminenza di una fase di depletion evidenziata e acuitadal ricorso ai petroli pesanti e/o ad alto costo di estrazionee raffinazione (heavy oils, deepwater oils, ultra-deepwateroils, shale oils and gas, fracking);6) la riattivazione dello sfruttamento del carbone comeemerge da studi recenti. Oggi la Cina estrae il 50% dellaproduzione mondiale e complessivamente tale processo diestrazione è in ripresa dopo un rallentamento perparecchie decadi agevolato dalla disponibilità di crude oil egas metano.




Idrocarburi non convenzionali, carbonecriticità in dettaglio 4

Queste due ultime prospettive (petroli costosi e pesanti,rinascita del carbone) sono sostenute nei fatti a livellomondiale e possono aggravare senza ritorno l’equilibriobio-climatico.I tentativi di indirizzo alternativo e di mitigazione sostenutidalla diplomazia internazionale, spesso in forma rituale,non hanno sortito effetti durevoli e condivisi per le noteposizioni degli USA e della Cina.Quali errori evitare ora?




Quali errori evitare ora?strategie poco sostenibili 1

La produzione di biocombustibili e biogas evidenzia unconflitto insanabile dovuto alla limitatezza delle terre arabilie alla competizione allocativa con il cibo destinatoall’uomo.Un secondo aspetto concerne le difficoltà di controllo sullosviluppo (anche in parte artificiale) di microorganismidigestori con potenziali rischi gravi per la salute.Il sequestro e l’immagazzinamento sotterraneo di CO2 èritenuto commercialmente non conveniente comedimostrano alcuni esempi recenti e le inversioni di marciadi molti paesi, tra i quali gli USA.




Quali errori evitare ora?strategie poco sostenibili 2

La presunta nuclear renaissance pare non avere nessunaevidenza 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 ostanno prolungando come in USA e in Giappone la vitatecnica degli impianti da 40 a 60 anni (upgrade).La Germania e altri paesi come la Svizzera e il Belgioattuano una politica di dismissione. Il Giappone dopoFukushima (marzo 2011) ha spento per due anni i suoi 50impianti non colpiti e dovrebbe riattivarne 24.Solo la Cina, l’India e la Korea vanno nella direzioneopposta ma il fenomeno appare contenuto.




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 ItalianStatistical Society, Cagliari 11th-13th of June, 2014).





Figura: France: Effects of Fukushima accident on the diffusion of nuclear energy:GGM model (ex Furlan, Guidolin, Guseo (2014). 47th Scientific Meeting of ItalianStatistical Society, Cagliari 11th-13th of June, 2014).





Figura: Germany: Effects of Fukushima accident on the diffusion of nuclear energy:GGBM model (ex Furlan, Guidolin, Guseo (2014). 47th Scientific Meeting of ItalianStatistical Society, Cagliari 11th-13th of June, 2014).




Che fare?strategie 1

L’eccessiva produzione di carne per l’alimentazione umanasembra confliggere con la disponibilità di terreno arabile,allungando inutilmente la catena alimentare e ampliando icosti complessivi delle nazioni.Una dieta più equilibrata e più fondata sui vegetali e le loroproteine può consentire la riduzione al necessariodell’apporto di proteine di origine animale.Gli edifici concepiti, progettati e costruiti nel secolo scorsodebbono essere riconvertiti su più piani sia in termini diefficienza energetica sia in termini di produzione locale dienergia elettrica o calore.





Naturalmente questo è un tema vastissimo che si collegaallo scambio locale di energia in eccesso mediante retibidirezionali e allo sviluppo di sistemi diimmagazzinamento mediante conversione disovrapproduzioni di picco basate su opportuni carrier (adesempio l’idrogeno).La mobilità pubblica ed individuale dovrà coordinarsi conun nuovo modo di rendere disponibile l’energia.Mobilità elettrica e a celle di combustibile sembranodefinire una direzione promettente.





Quali alternative? Idroelettrico, fotovoltaico, eolico,geotermico, biocombustibili, ...

Figura: New schools of fish: Diffusion dynamics of energy sources.




Che fare?fotovoltaico 1

Figura: The USA: Photovoltaic consumption in Mtoe. NB2Bemm2 (ex Guseo, 2014).





Figura: Germany: Photovoltaic consumption in Mtoe. NB model (ex Guseo, 2014).





Figura: China: Photovoltaic consumption in Mtoe. NBbemm2 model (ex Guseo,2014).




Che fare?alcune indicazioni 1

In ogni caso l’imminente migrazione va favorita condecisioni strategiche illuminate e sovranazionali.Il blocco inerziale che il paradigma corrente, sempre menosostenibile, impone alle nuove iniziative impedisce il loronaturale sviluppo in un ambiente competitivo atto asaggiarne l’efficienza e l’efficacia a lungo termine.La Statistica moderna è una disciplina che affrontapragmaticamente lo sviluppo delle conoscenze operativeper facilitare decisioni manageriali ed individuali e perorientare processi di innovazione e controllo nei piùdifferenti contesti e, nello specifico, sui temi dell’energiaquale driver primario dei sistemi socio-economici passati,presenti e futuri.




Che fare?alcune indicazioni 2

Modelli di diffusione di innovazioni regionali ecross-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 dicompetizione/sostituzione con l’energia eolica efotovoltaica,Diffusione della geotermia,Diffusione e dinamiche dei biocombustibili,Energia eolica e fotovoltaica.




Innovation Diffusiontemi 1

Tecnologie emergenti in ambito energetico: fotovoltaico,eolico, biomasse, micro-cogenerazione, biocombustibili,ecc.. Modelli di diffusione a ciclo di vita limitato emodulazione degli interventi. Controllo di significativitàdelle politiche incentivanti. Stime degli effetti. Generazionitecnologiche successive. Modelli Agent-Based e modellidifferenziali, NLS-ARMAXModelli di diffusione sincronici e diacronici per tecnologieenergetiche cooperative, competitive o sostitutive.Caratterizzazione dei sistemi. Inferenza multivariata neisistemi non lineari corrispondenti.




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 EconomicStatistics).




Diffusion of innovations modellingReferences 1

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Guseo, R., Mortarino, C. (2014). Within-brand and cross-brand word-of-mouthfor sequential multi-innovation diffusions. IMA Journal of ManagementMathematics , (In press, available online)


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