Tranziția către 100% energii „verzi”- un exercițiu de gândire magică. Avem nevoie de evoluție sau revoluție?

Când, în februarie 2019, am prezentat pentru prima dată cititorilor platformei Contributors, mega-proiectul Green New Dealⁱ, propus de câțiva membri democrați ai parlamentului american, am ezitat asupra titlului. Deși inițial am intenționat să calific respectivul proiect, chiar din titlu, ca fiind un exercițiu de gândire magică, am preferat în cele din urmă să folosesc numele celebrului roman faulknerian The Sound and The Fury. Și am sperat că respectiva propunere va rămâne doar o încercare, temerară ce-i drept, de lansare politică spectaculoasă a tinerei Alexandria Ocassio-Cortez pentru alegerile parlamentare din 3 noiembrie 2020.

Se pare că m-am înșelat. Ideile lansate de mega-proiectul Green New Deal (100% electricitate obținută din surse regenerabile, până în 2035; 100% vehicule cu emisii zero, până în 2030; net-zero emisii globale de gaze cu efect de seră, până în 2050 și altele asemănătoare) s-au răspândit cu viteza unui virus necontrolat și au reușit să „infecteze” cu gândire magică, printre alții, pe liderii Uniunii Europene (European Green Deal), guvernul Regatului Unit al Marii Britanii și Irlandei de Nord, guvernatorul statului California, diverse ONG-uri ecologiste ș.a.m.d.

Gândirea magică se poate defini pe scurt ca o relație cauzală între acțiuni (ritualuri religioase, rugăciuni, sacrificii etc.) și un beneficiu sau o recompensă așteptată. Un exemplu clasic: Sfătuiți de părinți, copiii își lustruiesc încălțămintea pe 5 decembrie și roagă pe Sf. Nicolae să observe eforturile lor pentru a primi a doua zi o recompensă depozitată în acele încălțări curate. În cazul Green New Deal, gândirea magică implică „sacrificarea”, mai mult sau mai puțin rituală, a hidrocarburilor fosile pe altarul schimbărilor climatice. Recompensa așteptată – salvarea planetei de apocalipsa climatică prin înlocuirea combustibililor fosili cu energii „verzi”, în particular, energie solară și eoliană. Intervalul de timp pentru primirea recompensei variază între 2030 și 2050.

Scopul articolului de față este să demonstreze că tranziția de la economii bazate pe energia generată de combustibilii fosili la noile economii „verzi” suferă de sindromul gândirii magice – în principal, o discontinuitate tragică între realitatea imediată și nadirul așteptărilor din următorii 10 – 30 ani.

Pentru început, iată câteva date dintr-un meta-studiu publicat luna trecută – Energy and Climate Policy – An Evaluation of Global Climate Expenditure 2011 – 2018. Autorii au utilizat, în principal, rapoartele Global Landscape of Climate Finance publicate anual, cu începere din 2010, de Climate Policy Institute (CPI); adițional, au fost folosite alte 254 de studii și articole descriind starea tranziției către economiile „verzi”.

Conform rapoartelor CPI, între 2011 – 2018, s-au cheltuit global $3.666 miliarde pe proiecte de schimbări climatice. Din această sumă, 55% ( $2.030 miliarde) au fost cheltuite pe implementarea energiilor solară și eoliană. Conform rapoartelor energetice globale, contribuția eoliană și solară la consumul mondial de energie a crescut de la 0,5% la 3% în perioada menționată. În același timp, cărbunii, petrolul și gazele naturale au asigurat 85% din consumul energetic global, restul (12%) fiind acoperit de energiile hidro și nucleară.

Interpretarea datelor de mai sus prezintă o bază solidă pentru diagnosticarea gândirii magice:

Dacă omenirea a cheltuit peste $2.000 miliarde în ultimii opt ani pentru a crește contribuția energiilor eoliană și solară de la 0,5% la 3%, câți bani vor mai trebui cheltuiți și câți ani vor fi necesari pentru a ajunge la 100%?!?

Un răspuns posibil trebuie să considere populația globală, actuală și viitoare, precum și mărimea economiilor moderne. În aceste condiții, scara la care va avea loc tranziția către 100% energii „verzi” contează enorm. Folosind o analogie din fizică, atunci când se încearcă schimbarea oricărui sistem, ne confruntăm cu inerția și diverse forțe de rezistență. Adică, este mult mai greu să întorci sau să stopezi un Boeing decât un bondar.

Realitatea de astăzi trebuie privită lucid: Combustibilii fosilă asigură omenirii 85% din producția de energie electrică, termică și de transport, un procentaj care a scăzut nesemnificativ, de la 86%, în ultimele două decenii 2. Și, pentru a se obține această minusculă scădere, omenirea a cheltuit peste $3.600 miliarde!!!

Înlocuirea totală a combustibililor fosili în următorii 20-30 ani necesită ca producția globală de energie regenerabilă să crească de cel puțin 90 ori.(3) Este posibil așa ceva? Pentru comparație: producția de petrol și gaze a avut nevoie de o jumătate de secol pentru a crește de 10 ori. Lăsând deoparte costurile exorbitante, a crede că energiile solară și eoliană vor putea crește de 9 ori în doar jumătate din timp, este o fantezie produsă de gândirea magică.^iv

O altă posibilă observație: Soarele e gratuit, vântul e gratuit (nu trebuie săpate foraje sau mine de exploatare). Atunci, de ce energiile solară și eoliană nu sunt mai ieftine decât energiile bazate pe combustibili fosili? Pentru că petrolul, gazele naturale și cărbunii prezintă trei caracteristici inexistente în cazul soarelui și vântului:

1. Concentrație naturală (combustibilii fosili dețin mai multă energie inclusă într-un spațiu redus)
2. Stocare naturală (combustibilii fosili nu necesită baterii)
3. Abundență naturală (soarele și vântul depind de momentul zilei, latitudine, geografie, meteorologie etc.)

Aceste trei criterii se regăsesc limitat în cazul energiei nucleare – o adevărată energie „verde”, dar considerații politico-economice exclud în prezent uraniul de pe lista „regenerabilelor”.

Există apoi și alte probleme care ilustrează caracterul de gândire magică asociat cu tranziția către 100% energii „verzi”.

Problema densității de putere energetică

O comparare a diverselor opțiuni energetice impune folosirea densității de putere – câtă energie este produsă pe o unitate de suprafață (W/m²). Plecând de la valorile acestui parametru, se poate lesne observa că unele tehnologii energetice sunt mai puțin dense decât altele. În plus, așa cum am menționat repetat în articolele mele, evoluția societăților umane este direct legată de tranzițiile de la energii mai puțin dense (de ex., biomasă – lemne, paie etc.) la altele mai dense (cărbuni, hidrocarburi, uraniu). Faptul că energia generată de combustibilii fosili avea/are o densitate de putere incomparabil mai mare decât cea produsă de biomasă, cuplat cu abundența și ieftinătatea lor, au constituit cauza principală a triumfului revoluției industriale și au facilitat o creștere fără precedent a bunăstării, speranței medii de viață, avansurilor tehnologice, producțiilor agricole, populației etc.

Fig. 1 compară densitățile medii de putere ale principalelor surse de energie folosite pentru producerea electricității.

Fig. 1. Densități medii de putere, în W/m², ale celor mai utilizate surse de generare a electricității. Porțiunile hașurate indică valori între estimările minime și maxime. (Sursa)

Se poate observa că densitățile de putere ale energiilor non-regenerabile sunt cu circa trei ordine de mărime mai mari decât cele ale energiilor regenerabile (solară, geotermală, eoliană, hidro și biomasă). Cu alte cuvinte, energiile non-regenerabile produc de circa o mie de ori mai multă putere pe o unitate dată de suprafață. Gazele naturale depășesc cu mult, ca densitate de putere, toate celelalte surse de electricitate. În categoria energiilor verzi, cea solară este lideră: cu toate acestea, densitatea medie de putere a energiei solare este mult, mult mai mică decât a energiilor fosile sau nucleară.

Actuala tranziție energetică, adulată de suporterii Green New Deal, reprezintă o inversare anacronică a sensului stabilit de secole de progres economic. Pe măsură ce sursele cu densitate de putere energetică mare (combustibili fosili) sunt înlocuite cu unele având o densitate de putere mult mai mică (soare, vânt), suprafețele de teren necesare pentru producția de energie „verde” cresc dramatic. În consecință, amprenta medie energetică per capita, corespunzătoare amprentei ecologice, va crește corespunzător. În condițiile unei planete considerate de unii „suprapopulată”, ultima creștere devine îngrijorătoare.

Diferența uriașă dintre densitățile de putere ale energiilor fosile și ale celor regenerabile este creată de natură și imună în fața aspirațiilor gândirii magice sau ale subvențiilor guvernamentale. Indiferent ce hotărăsc guvernele, Acordul de la Paris, cei 97% experți care cred în încălzirea globală antropogenă, Greta Thunberg ș.a., cantitatea de energie produsă este determinată de cantitatea de lumină solară sau vânt existentă într-o perioadă de timp, precum și de legile fizicii care controlează eficiența celulelor fotovoltaice sau a turbinelor eoliene. Și aici apar alte două probleme insolvabile pe care nu le-am întîlnit în exercițiile de gândire magică.

Problema limitei Shockley-Queisser

Pentru celule fotovoltaice (PV) cu siliciu, această limită impune o eficiență teoretică maximă de conversie a fotonilor în electroni de ~34%. Cele mai bune tehnologii comerciale de panouri voltaice au ajuns astăzi la puțin peste 26% eficiență a conversiei, adică aproape de limita menționată. Chiar dacă viitoare cercetări vor descoperi noi soluții non-siliciu, cu performanțe mai bune, toate au limite fizice similare și în prezent niciuna nu este în curs de producție, fără să mai sperăm că vor fi și ieftine.5 Cu alte cuvinte, o creștere de 9 ori a producției de energie solară este un exercițiu de gândire magică.

Problema limitei Bertz

În cazul turbinelor eoliene, această limită impune o captare maximă de 60% a energiei cinetice a vântului. Turbinele comerciale actuale depășesc 40%. Cu alte cuvinte, ca și în cazul energiei solare, poate apărea o creștere (până la atingerea limitei fizice), dar nu una revoluționară, de 9 ori sau mai mult.

Problema stocării energiilor regenerabile

Opinia mea este că limitările fizice ale producției de energie solară și eoliană sunt depășite de un teribil călcâi al lui Ahile: stocarea energiei produse.

Când oamenii aud despre stocarea energiei, ei se gândesc imediat la baterii re-încărcabile, precum cele din autovehiculele electrice. Dar acestea reprezintă mai puțin de 1% din stocarea globală a energiei. Aproape toată stocarea de astăzi – 96% – se face prin vechea, dar bine-cunoscuta, tehnologie a stocării în lacuri de acumulare.

În cazul hidrocarburilor, costă mai puțin de $1 pentru a stoca un baril de țiței sau gaze naturale (în termeni energetici echivalenți) timp de două luni. Stocarea cărbunilor costă și mai puțin. De aceea, Statele Unite au, în medie, până la două luni rezerve energetice naționale de hidrocarburi și cărbuni pentru orice moment al anului.

În cazul bateriilor, situația este complet diferită. Stocarea costă circa $200 pentru o cantitate echivalentă de energie. Adică, în loc de două luni, toate bateriile americane din rețele electrice plus cele dintr-un 1 milion de vehicule electrice, pot stoca doar două ore din cererea de energie națională.^vi

Un caz concret: bateriile produse de firma Tesla, cel mai cunoscut producător mondial. Un număr din aceste baterii, costând $200.000 și cântărind împreună peste 9.000 kg, sunt necesare pentru a stoca energia echivalentă a unui baril de țiței. Un baril de țiței, cântărind cca 135 kg, poate fi stocat într-un rezervor care costă doar $20.

Deci, câte baterii ar trebui fabricate pentru a stoca energia cerută de economia americană nu pe două luni, ci doar pe două zile? Să revenim la Tesla și fabrica sa, Gigafactory din Nevada. Costând $5 miliarde, este cea mai mare fabrică de baterii din lume, cu o producție anuală de 24 GWh/an. Asta înseamnă că toate bateriile Tesla fabricate într-un an, pot stoca trei minute de energie consumată anual în Statele Unite (4.222 TWh/an). Pentru a stoca toată energia consumată de SUA în două zile, ar fi nevoie de producția de baterii de la Gigafactory timp de 1.000 ani. Dar stocarea pe un an de zile?! Suntem în plin exercițiu de gândire magică…

Problema resurselor necesare construirii bateriilor și instalațiilor producătoare de energie „verde”

Presupunând, prin absurd, că fabricanții de baterii din întreaga lume ar putea produce bateriile necesare stocării energiilor „verzi”, apare o altă problemă insolvabilă: asigurarea materialelor componente.

Pentru că tranziția către 100% energii regenerabile impune o creștere semnificativă a producției, respectiv a stocării, Mills (2020) atrage atenția că va apărea o „creștere fără precedent” în mineritul global, ceea ce va radicaliza provocările ecologice și ale forței de muncă pe piețele emergente și va crește dramatic vulnerabilitatea lanțului de aprovizionare energetică a Americii.^vii

Conform analizei lui Mills (2020), construirea panourilor solare, turbinelor eoliene și a bateriilor necesare vehiculelor electrice necesită, în medie, de peste 10 ori mai multe materiale în comparație cu fabricarea mașinilor care, utilizând combustibili fosili, produc aceeași cantitate de energie.

O singură baterie a unui vehicul electric conține mai mult cobalt decât 1.000 telefoane inteligente; brațele unei singure turbine eoliene au mai mult plastic decât 5 milioane telefoane inteligente. Iar o rețea de panouri solare, care poate alimenta un centru de calcul, folosește mai multă sticlă decât 50 milioane telefoane inteligente.

Guvernul britanic, sub premierul Gordon Brown, a făcut o declarație importantă în 2007: Wind energy to power UK by 2020, government says. Suntem în 2020, dar „fiecare casă din UK” nu este (încă) alimentată numai de vânt și soare…

Guvernul britanic, sub premierul Boris Johnson, a „înnădit” declarația omologului său din 2007: Wind farms could power every home by 2030. Această măreț angajament presupune ca în următorii 10 ani, puterea eoliană a Marii Britanii să crească de patru ori față de cea actuală, pentru a atinge 4o GW. Costurile vor ajunge la aproape £50 miliarde, o sumă echivalentă cu instalarea unei turbine în fiecare zi pentru următorul deceniu (adică, ~3650 noi turbine). Dar cu bateriile ce se va întâmpla? Dacă Londra ar trebui să se bazeze pe baterii doar o săptămână, va trebui să cumpere fiecare baterie fabricată în lume în următorii doi ani. Și ar mai trebui menționat că electricitatea nu poate oferi căldura necesară industriei grele. De exemplu, fabricile de ciment și oțelăriile lucrează la temperaturi de peste 1000°C.

Recent, premierul Boris Johnson a făcut o altă declarație importantă: UK plans to bring forward ban on fossil fuel vehicles to 2030.

Ceea ce premierul pare să ignore este o avertizare serioasă exprimată în 2019 de un grup de experți geologi britanici cu privire la interzicerea autovehiculelor pe benzină/motorină din UK (actualmente 31,5 milioane) și înlocuirea lor cu mașini electrice. Această operațiune

…va necesita aproape dublul producției anuale globale de cobalt, aproape întreaga producție mondială de neodim, trei sferturi din producția mondială de litiu și cel puțin jumătate din producția mondială de cupru în 2018… Dacă trebuie să extrapolăm această analiză la estimarea actuală de 2 miliarde de mașini din întreaga lume (la nivelul anului 2018), producție anuală de neodim și disprosiu ar trebui să crească cu 70%, producția de cupru ar trebui să fie mai mare decât dublă, iar cea de cobalt ar trebui să crească de cel puțin trei ori și jumătate pentru întreaga perioadă de acum până în 2050 pentru a satisface cererea.^viii

Înlocuirea energiilor fosile cu energii „verzi”, conform programelor actuale, va crește puternic exploatarea minieră a unor diferite minerale critice în întreaga lume. Pe lângă metalele de bază – Li, Co, Ni, Al, Fe, Pb, Mn, Ag, Zn, Mo, Cr – instalațiile eoliene și solare, precum și bateriile, au nevoie de așa-numitele „pământuri rare” (Rare Earth Elements – RER, 15 elemente din grupa lantanidelor cu numere atomice cuprinse între 57 și 71).

O baterie a unui vehicul electric cântărește în jur de 450 kg. În general, o astfel de baterie conține 12 kg litiu, 14 kg cobalt, 28 kg nichel, 50 kg grafit, 40 kg cupru și circa 180 kg de oțel, aluminiu și diverse componente din plastic. Pentru a se obține doar primele 5 elemente care intră în compoziția unei baterii de peste 450 kg este nevoie să fie extrase prin minerit circa 41.000 kg de minereuri. Dacă se adaugă și cantitățile de roci de decopertare care trebuie înlăturate pentru a ajunge la minereuri, rezultă că, pentru o singură baterie de 450 kg, trebuie excavate/săpate peste 225.000 kg de roci. Calculul pentru cele 16 milioane de baterii care vor fi instalate până în 2030 pe noile vehicule electrice îl las pe seama dumneavoastră. Vă invit să țineți cont că tonajul de mai sus este subestimat deoarece nu include necesarul de roci excavate pentru extragerea fierului din oțel, cuprului folosit în cablaje sau a pământurilor rare (neodim disprosiu ș.a.) folosite în magneți și motoare electrice. Iar despre dezastrul ecologic al acestor activități miniere va trebui discutat separat.

De-a lungul „vieții” unei baterii electrice, fiecare kilometru parcurs „consumă” 1,4 kg roci. Folosind un motor cu ardere internă, se „consumă” cca 0,05 kg roci/km.

Fabricarea instalațiilor de producere a energiilor „verzi” consumă combustibili fosili – cărbuni, petrol, gaze naturale – pentru a produce cimentul, oțelul, masele plastice și elementele purificate necesare. Pentru producerea unei singure baterii se consumă energia echivalentă a 100 barili de petrol. Bateria poate stoca energia echivalentă a unui singur baril.

Într-un studiu publicat recent de trei cercetători britanici există câteva predicții importante despre creșterea cererii de minerale critice în 2030 comparativ cu 2015 ca urmare a adoptării masive a vehiculelor electrice (EV)^ix (Fig. 2). Vânzarea a circa 16 milioane EV în 2030 va determina o creștere a cererii de Li cu 3700% și a cererii de Co cu 1838%. Este prevăzută, de asemenea, o creștere a cererii de Li și Co cu 68% din partea Chinei, țară care va cumpăra 21% din noile EV, dintre care 75% vor fi autobuze electrice.

Nu face obiectul articolului de față discutarea aspectelor geopolitice, prezervarea biodiversității și de siguranța energetică națională legate de creșterea rolului mineralelor și metalelor în faza tranziției către economiile „verzi”.

Conform ultimelor date, publicate luna trecută, transporturile rutiere planetare sunt responsabile pentru 11,9% din totalul emisiilor de gaze cu efect de seră. Acest lucru înseamnă că, dacă am putea electrifica întregul sector al transportului rutier (autoturisme, autocamioane, autobuze, motociclete), impactul celor peste 2 miliarde de vehicule alimentate în prezent cu combustibili fosili ar însemna reducerea emisiilor globale cu 11,9%. E mult? E puțin? Depinde pe cine întrebi.

Probleme climatice cauzate de fermele eoliene

Deși promovarea energiei eoliene ca metodă majoră de influențare a climei globale este mult iubită de ecologiști, realitatea funcționării fermelor eoliene ascunde și unele detalii paradoxale legate de influențele negative asupra schimbărilor climatice locale și regionale. De exemplu, Abbasi et al. (2016) au explicat că marile ferme eoliene, cu turbine înalte, pot exercita o influență asupra vremii, posibil asupra climei, datorită efectelor combinate ale deficitului de viteză al vântului pe care le creează, modificărilor turbulenței atmosferice pe care le provoacă și a rugozității peisajului pe care o sporesc^x

Prin natura lor, turbinele eoliene pot avea un impact negativ asupra cel puțin trei aspecte al vremii locale, și, prin urmare, a climei: temperatura, vântul și precipitațiile.

De exemplu, fermele eoliene produc o creștere a temperaturii medii a solului și subsolului în avalul turbinelor pe timp de noapte prin creșterea turbulenței atmosferei. Cercetătorii au indicat că utilizând turbinele eoliene pentru a produce 10% sau mai mult din energia globală în 2100 ar putea cauza încălzirea terenurilor cu peste 1°C.^xi Într-un alt studiu este prezentată o situație neașteptată: Dacă cererea de electricitate a Statelor Unite ar fi satisfăcută de energia eoliană, atunci fermele eoliene vor trebui să funcționeze mai mult de un secol înainte ca încălzirea terestră a SUA cauzată de ele să devină mai mică decât reducerea încălzirii prin micșorarea emisiilor de CO2.^xii

De asemenea, fermele eoliene influențează și modifică pattern-ul vânturilor prin efectul de dâră (wake effect), care, în principal, reduce viteza vântului la ieșirea din turbine, reducând prin urmare și eficiența turbinelor plasate în aval (cantitatea de energie generată). În cazul fermelor offshore, acest efect poate acoperi distanțe destul de mari. În plus, simularea efectelor marilor ferme eoliene a sugerat că perturbațiile induse implică schimbări substanțiale în direcția și dezvoltarea cicloanelor din Atlanticul de Nord, iarmagnitudinea acestor perturbații depășește nivelul de incertitudine al prognozelor meteo.^xiii

Evoluție sau revoluție?

Actuala tranziție către 100% energii verzi este un proces de tranziție al cărui capăt nu se întrevede deocamdată. Pentru că, la urma urmei, și energia eoliană și cea solară nu sunt invenții recente. Turbina eoliană modernă a apărut acum 50 ani și a fost posibilă datorită folosirii unor materiale noi, în principal fibra de sticlă pe bază de hidrocarburi. Prima tehnologie solară viabilă comercial datează și ea de jumătate de secol, la fel ca și invenția bateriei cu litiu de către un cercetător de la compania petrolieră Exxon.

Deși a trecut o jumătate de secol, nici un salt tehnologic disruptiv nu s-a înregistrat în cazul celor două tehnologii „verzi” și a bateriilor de stocare, ceva care să fie comparabil cu inventarea tranzistorului sau a Internetului. Cu toate acestea, printr-un exercițiu de gândire magică, guverne din America de Nord, Europa și alte zone geografice, au adoptat diverse programe de tip Green New Deal sau similare menite, cred ele, să rezolve o criză climatică apocaliptică (!).

Și pentru a accelera această tranziție fără un sfârșit sigur de atins și în lipsa unor invenții disruptive, respectivele guverne au ales calea simplă, dar ineficientă, a cheltuirii unor imense sume de bani publici sub formă de subvenții.

În ciuda limitărilor vizibile și a ineficienței energiilor „verzi” comparate cu energiile fosile, unele guvernele continuă să creadă că prin acordarea de subvenții se va produce miraculosul salt înainte și, printr-un clasic exercițiu de gândire magică – vântul și soarele vor deveni surse energetice mai ieftine, mai abundente, mai scalabile, mai sigure etc, decât combustibilii fosili.

Pe lângă faptul că cumpărătorii unei mașini Tesla primesc câte $7.500 subvenție de la guvernul federal, iar unele state, precum California, mai adaugă sume ajungând până la $7.000, firma Tesla mai beneficiază de peste $420 milioane din vânzarea certificatelor verzi altor producători de automobile. Acești bani, plătiți de oameni care nu posedă o mașină Tesla, este o subvenție mascată, favorizată de politici federale „verzi”. Situația se regăsește și în cazul subvențiilor pentru energiile eoliană și solară. Cât va mai dura această situație, sperăm să aflăm după 3 noiembrie.

Citeste intreg articolul si comenteaza pe Contributors.ro