Inginerii și universitarii. O scurtă lecție de aritmetică despre transporturile electrice

Despre ingineri se spun multe glume, unele mai reușite, altele mai puțin. Recent, am citit una dintre aceste glume, care mi-a dat ideea intervenției mele de astăzi.

Un profesor de inginerie electrică vorbea studenților despre diferențele dintre ingineri și universitari, explicând-le că:

Atât inginerii, cât și universitarii doresc să înțeleagă lumea și să rezolve probleme. Inginerii își fac griji cu privire la cât costă ceva. Universitarii nu își fac griji cu privire la costuri; ei vor doar să afle adevărul. Prin urmare, diferența dintre un inginer și un universitar este că inginerul are cel puțin o picătură de bun simț.

Analizând mai bine conținutul acestei diferențe, vom putea observa, de exemplu, că în cazul sistemelor de alimentare cu energie, acea „picătură de bun simț” devine extrem de vizibilă și importantă. Universitarii teoreticieni (cercetători, cadre didactice, academicieni) pot aborda rețeaua energetică cu o oarecare detașare, dar inginerii practicieni trebuie să o mențină în funcțiune non-stop. Inginerii rezolvitori de probleme sunt implicați direct în activitate și, de obicei, se confruntă cu consecințele erorilor și deficiențelor tehnologice și umane, în timp ce universitarii și, din păcate, mulți factori de decizie politică sunt mai izolați și feriți de consecințe neplăcute. Această diferență a fost impecabil marcată de Thomas Sowell: Este greu de imaginat o modalitate mai stupidă sau mai periculoasă de a lua decizii decât aceea de a pune aceste decizii în mâinile unor oameni care nu plătesc niciun preț când greșesc.

Fiind eu însumi un hibrid – inginer devenit profesor universitar, am găsit că gluma are un sâmbure de adevăr când cele două categorii de specialiști discută despre înlocuirea transporturilor clasice pe bază de carburanți fosili cu altele funcționând pe bază de electricitate, preferabil „verde”. Cauzele înlocuirii au fost expuse de oamenii de știință universitari: emisiile de CO2 și alte gaze afectează temperatura globală și calitatea aerului din zonele cu trafic intens.

Inginerii nu contestă adevărul universitarilor teoreticieni. Ei trebuie să găsească soluțiile practice necesare pentru ca transporturile terestre, aeriene și navale din următorii câțiva ani să folosească electricitate în loc de benzină, motorină, kerosen sau păcură ca sursă de energie. Și aici apare o problemă pe care o voi exemplifica folosind date publicate din SUA. În măsura în care și în România există date comparabile, rezolvarea problemei poate fi abordată și acolo.

Electrificarea transporturilor este văzută de universitarii americani ca o avalanșă universală și imperioasă pentru reducerea emisiilor de CO2. Dar, dacă convertim întregul parc auto în mașini electrice, de unde va veni energia electrică necesară? That is the question.

În 2022, conform agenției Reuters, vehiculele electrice din America reprezentau o fracțiune infimă – mai puțin de 1% din totalul celor 250 milioane automobile, SUV-uri și camionete. Dar situația se va schimba radical, dacă este să credem ce a publicat The Wall Street Journal pe 1 ianuarie 2023: Trecerea la vehiculele electrice declanșează cel mai mare boom al construcțiilor de fabrici auto din ultimele decenii:

Până în noiembrie, aproximativ $33 miliarde au fost promise în SUA pentru noi investiții în fabrici de automobile, inclusiv bani pentru construcția de noi uzine de asamblare și facilități de fabricare a bateriilor, potrivit Center for Automotive Research, o organizație non-profit cu sediul în Michigan.

…

Potrivit firmei de consultanță AlixPartners, industria auto globală intenționează să cheltuiască în total $526 miliarde pentru vehiculele electrice până în 2026.

Marii producători de automobile s-au arătat încrezători în viitorul electric al produselor lor. De exemplu, General Motors afirmă ritos că schimbarea climei este reală și noi vrem să facem parte din soluție, punând pe fiecare într-un vehicul electric (până în 2035). Iar Ford plusează: Vom conduce trecerea Americii la vehicule electrice (50% până în 2030).

Despre vehiculele electrice (EV) pure, hibride sau plug-in, am scris pe această platformă mai multe articole: Automobilul electric = automobilul viitorului? Argumente pro și contra, Vehiculele electrice și dependența lor de Big Oil, Tesla Altruist vs. Tesla Egoist și parabola bunului samaritean, Tranziția către 100% energii „verzi”- un exercițiu de gândire magică. Avem nevoie de evoluție sau revoluție?. Am analizat avantajele și dezavantajele lor, în primul rând din punctul de vedere al numeroaselor tipuri de minerale și activități miniere necesare pentru extragerea metalelor și nemetalelor care compun bateriile – un adevărat călcâi al lui Ahile pentru electricitatea „verde” sau „regenerabilă” (Stocarea energiilor „verzi” – călcâiul lui Ahile pentru politicile Net Zero)

Am pus „verde” și „regenerabilă” între ghilimele pentru că nici energia solară și nici energia eoliană nu sunt în realitate verzi și regenerabile. Combustibilul pe care îl utilizează, soarele și vântul, este verde și regenerabil, dar sistemele solare și eoliene în totalitatea construcției lor și a impactului asupra mediului înconjurător nu sunt nici verzi și nici regenerabile.

Să lăsăm deoparte problema bateriilor (sute de milioane!) care vor trebui fabricate pentru EV-urile „viitorului fără emisii” și să încercăm să estimăm cantitatea de electricitate „verde” necesară pentru a propulsa acele mașini.

Voi începe cu un grafic publicat de EIA (Energy Information Administration), care prezintă distribuția energiei totale din SUA în 2021 pe surse de producție și pe sectoare de consum (Fig. 1). Pentru anul 2022 nu s-a publicat un grafic asemănător.

Câteva cifre-cheie din acest grafic merită subliniate:

– În 2021, Statele Unite ale Americii au consumat 73,5 cvadrilioane Btu (21.541 TWh) energie totală.

– Din această cantitate, 12.9 cvadrilioane Btu (3.781 TWh) au fost energie electrică, reprezentând 17,6% din consumul total.

– Aproape toată energia electrică a fost consumată în sectoarele industrial, rezidențial și comercial. Transporturile au utilizat o cantitate infimă de electricitate (sub 1%).

– Pe de altă parte, sectorul transporturi a consumat 26,9 cvadrilioane Btu (7.884 TWh) de energie non-electrică. Această cifră reprezintă 37% din consumul total de energie și mai mult decât dublul electricității consumate în toate celelalte sectoare.

Pentru că sectorul transporturi include toate vehiculele terestre, aeriene și navale și pentru că electrificarea în viitorul apropiat se va rezuma doar la vehiculele terestre, este necesară estimarea cantității de energie folosite doar de automobile, SUV-uri și camionete. Trenurile și TIR-urile electrice nu sunt considerate deocamdată.

Un document publicat în 2021 de Oak Ridge National Laboratory (o parte componentă a Departamentului de Energie) declară: (1) Petrolul a reprezentat 90% din consumul de energie pentru transport în SUA în 2020 și (2) Automobilele și camionetele au reprezentat 62% din consumul de petrol pentru transporturi în SUA în 2018.

În lipsa unor date mai recente, să presupunem că aceste procente se mențin valabile și pentru 2021. Un calcul simplu arată că automobilele și camionetele au consumat 26,9 x 0,9 x 0,62 = 15,0 cvadrilioane Btu (4.398 TWh) sub formă de benzină sau motorină în 2021. Energia din combustibili fosili consumată doar pentru transporturile terestre în SUA a depășit întreaga cantitate de energie electrică produsă în 2021.

Prima concluzie preliminară: Transformarea tuturor autoturismelor și camionetelor în vehicule electrice va însemna dublarea sistemului național american de generare a energiei electrice, cu tot ce înseamnă asta: surse „verzi”, linii de transport, stații de alimentare.

Dar situația prezentată mai sus necesită considerarea unor factori suplimentari, pentru care nu există „date tari”, ci doar niște aproximări:

– EV-urile au o eficiență de ~ 85-90% în convertirea energiei electrice în energie de mișcare a vehiculului. Motoarele cu ardere internă au un randament de numai 15 – 25%.

– Bateriile electrice suferă o pierdere de aproximativ 15% din energia stocată în intervalul încărcare – descărcare.

– Conform graficului din Fig. 1, randamentul producerii energiei electrice într-o centrală este de 35%, restul fiind diverse pierderi, inclusiv cele din liniile de transmisie.

Și acum, să rezolvăm o simplă problemă de aritmetică.

a) Un vehicul cu combustie internă care are 10 Btu (3 Wh) energie în rezervor sub formă de benzină va folosi aproximativ 2 Btu pentru deplasare.

b) Un vehicul electric, folosind aceeași 10 Btu de combustibil, va dispune de 10 x 0,35 = 3,5 Btu energie disponibilă, 3,5 Btu x 0,83 = 3,0 Btu energie electrică în baterie după pierderile de încărcare/descărcare și, în final, 3,0 x 0,87 = 2,6 Btu energie pentru deplasare.

Rezultă că un vehicul electric poate funcționa cu aproximativ ¾ (2:2,6) din numărul de Btu consumat de un vehicul cu ardere internă. Mai rezultă și că, în loc să consumăm 15 cvadrilioane Btu per an pentru parcul auto contemporan din SUA, am putea teoretic să reducem această cantitate la 11,25 cvadrilioane Btu pentru a produce 11,25 x 0,35 = 3,93 cvadrilioane Btu (1.152 TWh) de energie electrică pentru flota auto din viitor.

A doua concluzie preliminară: Revenind la datele din Fig. 1, producția de electricitate în 2021 a fost de 12,9 cvadrilioane Btu. Cele 3,93 cvadrilioane Btu de energie suplimentară necesare pentru un „viitor fără emisii”, ar reprezenta un surplus de aproximativ 30,5% față de capacitatea actuală a sistemului energetic american de generare a energiei electrice.

Ce plan energetic există actualmente în Departmentul de Energie al SUA pentru a rezolva această problemă? Un posibil răspuns poate fi dedus din examinarea Fig. 2, un alt grafic produs EIA, prezentând proiecțiile guvernamentale de creștere a capacității de generare a energiei electrice până în anul 2050, când politica Net Zero se va implementa și va marca eliminarea (aproape) totală a combustibililor fosili ca surse energetice.

După reluarea post-pandemică a producției de electricitate, creșterea producției până în 2050 este de 1% pentru toate cele trei scenarii de creștere economică (ridicată, redusă, regulată. Trebui menționat imediat că aceste creșteri acoperă și sectoarele industrie, populație, comerț, nu doar transporturile. Iar noile capacități vor folosi cel mai probabil energie eoliană și solară, asta însemnând că bateriile flotei auto din „viitorul fără emisii” nu se vor putea încărca dacă soarele nu strălucește pe cer sau vântul nu bate cu putere.

Și atunci, de unde va proveni surplusul de 30% energie electrică suplimentară necesară pentru electrificarea tuturor autovehiculelor terestre (pe cele aeriene și navale nu le mai punem la socoteală)? Și chiar dacă se adaugă acele capacități suplimentare de generare, cât vor costa și cine va plăti pentru re-electrificarea Americii?

Cine ar putea răspunde mai bine, inginerii practicieni sau universitarii teoreticieni?

Un posibil răspuns l-am găsit în metastudiul Review on 100% Renewable Energy System Analyses—A Bibliometric Perspective, publicat în noiembrie 2022. Autorii au analizat bibliometric peste 600 de articole științifice în care au fost discutate sistemele de energie 100% regenerabilă în contextul creșterii preocupărilor legate de schimbarea climei și de încălzirea globală cauzate de activitățile antropice și de folosirea energiilor fosile. Ceea ce au remarcat autorii a fost o creștere impresionantă a numărului universitarilor și a publicațiilor academice referitoare la tranziția net zero. Începând de la zero în jurul anului 2010, s-a ajuns în 11 ani la 1.400 autori universitari, cumulând aproape 36.000 citări ale articolelor lor.Citeste intregul artiol si comenteaza pe Contributors.ro