Ο Σιδηρούς Νόμος της Πυκνότητας Ισχύος, Μέρος 2
Μια ματιά στον EROEI και την ένταση υλικών ανά μεγαβατώρα
Σας ευχαριστώ θερμά για το ενδιαφέρον σας και την αναδημοσίευση των άρθρων μου. Θα εκτιμούσα ιδιαίτερα αν, κατά την κοινοποίηση, σ̲υ̲μ̲π̲ε̲ρ̲ι̲λ̲α̲μ̲β̲ά̲ν̲α̲τ̲ε̲ ̲κ̲α̲ι̲ ̲τ̲ο̲ν̲ ̲σ̲ύ̲ν̲δ̲ε̲σ̲μ̲ο̲ ̲(̲l̲i̲n̲k̲)̲ ̲τ̲ο̲υ̲ ̲ά̲ρ̲θ̲ρ̲ο̲υ̲ ̲μ̲ο̲υ̲. Αυτό όχι μόνο αναγνωρίζει την πηγή, αλλά επιτρέπει και σε άλλους να ανακαλύψουν περισσότερο περιεχόμενο. Η υποστήριξή σας είναι πολύτιμη για τη συνέχιση της δουλειάς μου.
Απόδοση στα ελληνικά: Απολλόδωρος - Robert Bryce | 21 Αυγούστου 2023
Το άρθρο μου της 13ης Αυγούστου, «Ο Σιδηρούς Νόμος της Πυκνότητας Ισχύος», είναι το δεύτερο πιο δημοφιλές άρθρο που έχω δημοσιεύσει εδώ στο Substack. Το άρθρο βρήκε απήχηση. Γιατί; Υποψιάζομαι ότι πολλοί άνθρωποι θέλουν να κατανοήσουν καλύτερα τη φυσική που διέπει τα ενεργειακά μας συστήματα και τα συστήματα ισχύος.
Όπως εξήγησα την περασμένη εβδομάδα, η πυκνότητα ισχύος είναι ίσως η πιο σημαντική – και ωστόσο λιγότερο κατανοητή – μέτρηση στη φυσική. Πράγματι, πολλοί άνθρωποι που εργάζονται στους τομείς της ενέργειας και της ισχύος δεν την κατανοούν. Επιπλέον, ο Σιδηρούς Νόμος της Πυκνότητας Ισχύος – ο οποίος λέει ότι όσο χαμηλότερη είναι η πυκνότητα ισχύος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση πόρων – μας βοηθά να καταλάβουμε γιατί η αιολική και η ηλιακή ενέργεια δεν μπορούν, δεν θα μπορέσουν ποτέ, να τροφοδοτήσουν την κοινωνία μας. Εκτός από τη μη ιάσιμη διακοπτόμενη λειτουργία τους και την εξάρτησή τους από τον καιρό, απαιτούν πάρα πολλή γη και άλλους πόρους.
Λαμβάνοντας υπόψη την ευνοϊκή ανταπόκριση στη δημοσίευση της περασμένης εβδομάδας, θα την επεκτείνω εδώ. Πρώτον, θα εξερευνήσω μια άλλη βασική μέτρηση: την ενεργειακή απόδοση της επενδεδυμένης ενέργειας ή EROEI. Όπως και η πυκνότητα ισχύος, έτσι και ο EROEI είναι ένα κρίσιμο εργαλείο για να κατανοήσουμε γιατί τα ενεργειακά μας συστήματα και τα συστήματα ισχύος συνεχίζουν να κυριαρχούνται από υδρογονάνθρακες και γιατί θα πρέπει να εστιάσουμε τις προσπάθειές μας στο φυσικό αέριο και την πυρηνική ενέργεια.
Επιπλέον, δημοσιεύω δύο νέα γραφήματα. Το πρώτο είναι ένα ενημερωμένο γράφημα έντασης πόρων που εξετάζει την ικανότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, μετρούμενη σε χιλιόγραμμα ανά μεγαβάτ. Το δεύτερο γράφημα εξετάζει την ένταση πόρων της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μετρώντας την σε χιλιόγραμμα ανά μεγαβατώρα παραγόμενης ενέργειας. Προειδοποίηση για αποκάλυψη: το νέο γράφημα δείχνει ακόμη πιο ξεκάθαρα γιατί η υπεράκτια αιολική ενέργεια είναι τόσο μεγάλη αποτυχία.
Πριν βουτήξουμε στον EROEI, μια γρήγορη υπενθύμιση: η πυκνότητα ισχύος είναι ένα μέτρο της ροής ενέργειας που μπορεί να αξιοποιηθεί από μια δεδομένη επιφάνεια, όγκο ή μάζα. Έτσι, η πυκνότητα ισχύος μπορεί να μετρηθεί σε watt ανά τετραγωνικό μέτρο, ανά λίτρο ή ανά χιλιόγραμμο. Επικεντρώνομαι σε μεγάλο βαθμό στην επιφανειακή πυκνότητα ισχύος – μετρούμενη σε watt ανά τετραγωνικό μέτρο – διότι είναι το κλειδί για την κατανόηση της χρήσης γης και του γιατί η ανεπαρκής πυκνότητα ισχύος του ανέμου και του ήλιου έχει οδηγήσει σε συγκρούσεις χρήσης γης από την κομητεία Erie του Οχάϊο έως τα Υψίπεδα του Golan. Αν θέλετε να εμβαθύνετε στην ογκομετρική και βαρυτική πυκνότητα ισχύος – μετρούμενη σε watt ανά λίτρο ή watt ανά χιλιόγραμμο, οι οποίες είναι απαραίτητες για την κατανόηση των κινητήρων και μηχανών – σας προτείνω να διαβάσετε το πέμπτο βιβλίο μου, Smaller Faster Lighter Denser Cheaper: How Innovation Keeps Proving the Catastrophists Wrong.)
Τώρα, ο EROEI. Η σημασία αυτής της μέτρησης είναι προφανής: θέλουμε τη μέγιστη απόδοση για τα χρήματα που βάζουμε στην τράπεζα ή στο χρηματιστήριο. Θέλουμε επίσης τη μέγιστη απόδοση για την ενέργεια που δαπανούμε. Όπως χρειάζονται χρήματα για να βγάλεις χρήματα, έτσι και η παραγωγή ενέργειας απαιτεί πάντα χρήση ενέργειας. Είτε πρόκειται για το κόψιμο ξύλων για το τζάκι, είτε για το ντίζελ που χρειάζεται για τη λειτουργία των γεννητριών που τροφοδοτούν μια γεωτρύπανο, είτε για την ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται για την περιστροφή των φυγοκεντρητών που εμπλουτίζουν το πυρηνικό καύσιμο που βάζουμε στους αντιδραστήρες μας, πρέπει να ξοδεύουμε ενέργεια για να πάρουμε ενέργεια. Και όσο λιγότερη πρέπει να ξοδέψουμε, τόσο το καλύτερο.
Όπως φαίνεται στο παραπάνω γράφημα, ο άνεμος και ο ήλιος έχουν έναν αξιοθρήνητα χαμηλό EROEI 3,5:1, δηλαδή, για κάθε μονάδα ενέργειας που επενδύεται στον άνεμο και τον ήλιο, παίρνετε 3,5 μονάδες ενέργειας πίσω. Εν τω μεταξύ, τα πυρηνικά έχουν EROEI 100 προς 1.
Πολλοί αναλυτές και επιστήμονες έχουν γράψει για τον EROEI, αλλά μία από τις καλύτερες εξερευνήσεις του θέματος δημοσιεύθηκε πέρυσι από τους Leigh Goehring και Adam Rozencwajg. Στο δοκίμιό τους, «The Distortions of Cheap Energy» («Οι στρεβλώσεις της φθηνής ενέργειας»), που είναι η πηγή των αριθμών στο γράφημα, οι Goehring και Rozencwajg έγραψαν ότι η έκρηξη της παγκόσμιας οικονομικής ανάπτυξης που συνέβη τα τελευταία περίπου 140 χρόνια «οφειλόταν εξ ολοκλήρου στη βελτίωση του EROEI. Ο σύγχρονος κόσμος που απολαμβάνουμε σήμερα είναι το άμεσο αποτέλεσμα αποδοτικών και άφθονων πηγών ενέργειας». (Ο Adam Rozencwajg ήταν στο Power Hungry Podcast στις 17 Ιανουαρίου μιλώντας για τον EROEI και άλλα θέματα.)
Οι Goehring και Rozencwajg, οι οποίοι διαχειρίζονται μια επενδυτική εταιρεία με έδρα τη Νέα Υόρκη που φέρει το ίδιο όνομα, δημοσιεύουν τακτικά αναλύσεις για τις τάσεις στην ενέργεια και τους φυσικούς πόρους. Συνέχισαν το δοκίμιό τους παραθέτοντας την τεράστια ποσότητα υλικών που χρειάζονται για την κατασκευή μιας ανεμογεννήτριας ισχύος 1,5 μεγαβάτ: 235 τόνοι χάλυβα, 600 τόνοι σκυροδέματος, 15 τόνοι ανθρακονήματος και εννέα τόνοι χαλκού. Συνοψίζουν το πρόβλημα καταλήγοντας ότι θα χρειαζόταν 10 ανεμογεννήτριες για να αντικατασταθεί η ενέργεια που παράγεται από ένα μόνο πηγάδι πετρελαίου στη λεκάνη του Permian. Συνεχίζουν:
«Μεγάλο μέρος της σημερινής ενεργειακής κρίσης στην Ευρώπη σχετίζεται με τις μαζικές επενδύσεις τους σε ανανεώσιμες πηγές, οι οποίες έχουν εξαιρετικά χαμηλό EROEI. Οι ερωτήσεις που μας κάνουν πιο συχνά είναι: “Πώς γίνεται οι ανανεώσιμες πηγές να έχουν τόσο φτωχό EROEI χωρίς κανείς να το αντιλαμβάνεται, και πώς μπόρεσαν να γίνουν τόσο μεγάλες επενδύσεις σε ανανεώσιμες πηγές με τόσο μικρή αναγνώριση του προβλήματος;”»
Στη συνέχεια μιλούν για τους παράγοντες που τώρα επιστρέφουν για να στοιχειώσουν τον αιολικό τομέα, και ιδιαίτερα την υπεράκτια αιολική ενέργεια:
«Η μοντελοποίησή μας υποδηλώνει ότι οι μειούμενες (και φθηνές) τιμές ενέργειας έχουν διαστρεβλώσει και εν μέρει κρύψει το πραγματικό κόστος του ανέμου και του ήλιου την τελευταία δεκαετία. Τώρα που το ενεργειακό κόστος έχει εκτοξευθεί, το πραγματικό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας των ανανεώσιμων πηγών είναι εμφανές. Η σχέση μεταξύ του κόστους ενεργειακών εισροών και του κόστους παραγωγής ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στη δική μας αποκλειστική έρευνα. Δεν έχουμε δει αυτό το επιχείρημα να παρουσιάζεται πουθενά αλλού, αλλά όσο περισσότερο μελετάμε τα ζητήματα, τόσο περισσότερο πειθόμαστε ότι έχουμε δίκιο... Εκπληκτικά, κανείς δεν έχει συνδέσει το μειούμενο ενεργειακό κόστος και το φθηνό κεφάλαιο με την πολλαπλασιασμό την τελευταία δεκαετία έργων έντασης ενέργειας και κεφαλαίου, όπως η αιολική, η ηλιακή και η κατασκευή μπαταριών ιόντων λιθίου. Πιστεύουμε ότι τα δύο συνδέονται θεμελιωδώς. Τι θα συμβεί όταν οι τιμές ενέργειας ομαλοποιηθούν και τα επιτόκια αυξηθούν – όπως συμβαίνει αυτή τη στιγμή;»
Συνέχισαν γράφοντας: «Δεν είναι τυχαίο ότι ο πολλαπλασιασμός των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας συνέβη κατά τη διάρκεια μιας δεκαετίας άφθονης φθηνής ενέργειας και άφθονου φθηνού κεφαλαίου. Καθώς και οι δύο πόροι γίνονται πιο σπάνιοι και ακριβότεροι, ο εγγενής περιορισμός των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (δηλαδή, ο σημαντικά χειρότερος EROEI τους) θα έρθει στο προσκήνιο.»
Μέχρι τώρα, θα πρέπει να είναι εύκολο να δούμε πώς ταιριάζουν μεταξύ τους ο Σιδηρούς Νόμος της Πυκνότητας Ισχύος και ο EROEI. Οι πηγές χαμηλής πυκνότητας ισχύος, όπως η αιθανόλη, η βιομάζα, ο άνεμος και ο ήλιος, απαιτούν περισσότερους πόρους όπως χάλυβα, σκυρόδεμα, χαλκό και ψευδάργυρο. Όλοι αυτοί οι πόροι απαιτούν δαπάνη ενέργειας. Επομένως, ο EROEI μπορεί να ερμηνευθεί ως ένας τρόπος απόδειξης του Σιδηρού Νόμου της Πυκνότητας Ισχύος. Γιατί; Όσο μεγαλύτερη είναι η ένταση πόρων (διαβάστε: συστατικά που καταναλώνουν ενέργεια), τόσο χειρότερος είναι ο EROEI.
Οι Goehring και Rozencwajg ολοκλήρωσαν το δοκίμιό τους με ένα σημείο που εγώ υποστηρίζω από το 2008: ότι πρέπει να αγκαλιάσουμε την πυρηνική ενέργεια. Έγραψαν: «Εδώ και καιρό υποστηρίζουμε ότι τα πυρηνικά πρέπει να αποτελούν μέρος κάθε ενεργειακού μέλλοντος – πράσινου ή μη. Καμία άλλη πηγή ενέργειας δεν προσφέρει ανώτερη ενεργειακή απόδοση της επενδεδυμένης ενέργειας... από την πυρηνική ενέργεια. Επιπλέον, καμία άλλη πηγή ενέργειας δεν μπορεί να παρέχει τη βασική ισχύ χωρίς άνθρακα που απαιτείται για τη λειτουργία του σύγχρονου κόσμου.»
Τώρα, στα γραφήματα. Ενημέρωσα το παραπάνω γράφημα, μια εκδοχή του οποίου δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα. Όπως βλέπετε, πρόσθεσα μια φυσαλίδα-επισήμανση για να υπογραμμίσω τη 13 φορές διαφορά μεταξύ της υπεράκτιας αιολικής ενέργειας και της παραγωγής από φυσικό αέριο.
Αφού έλαβα κάποια εποικοδομητική κριτική για εκείνο το γράφημα, το οποίο χρησιμοποιεί ένα στιγμιότυπο οθόνης από αυτή την έκθεση του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας του 2021, αποφάσισα να ξαναδοκιμάσω την ένταση πόρων της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υπολογίζοντας την ποσότητα μετάλλων και ορυκτών που χρειάζονται ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Συζήτησα αυτή την ιδέα με τον φίλο μου, Roger Pielke Jr. (ο οποίος επινόησε τον Σιδηρούν Νόμο της Κλιματικής Αλλαγής). Ο Roger, ο οποίος έχει πτυχίο μαθηματικών, συμφώνησε να συνδυάσει τους αριθμούς του ΔΟΕ για τους πόρους με τους συντελεστές φόρτισης για εκείνες τις μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Ο συντελεστής φόρτισης είναι μια άλλη κρίσιμη μέτρηση που απαιτείται για την κατανόηση των ενεργειακών μας συστημάτων και συστημάτων ισχύος. Ο συντελεστής φόρτισης μετρά πόση ενέργεια παράγεται από μια δεδομένη μονάδα παραγωγής σε σχέση με το πόση μπορεί να παράγει στη μέγιστη ισχύ της. Τα ηλιακά εργοστάσια έχουν σχετικά χαμηλούς συντελεστές φόρτισης επειδή ο ήλιος δεν λάμπει τη νύχτα. Τα εργοστάσια άνθρακα και πυρηνικά έχουν γενικά υψηλούς συντελεστές φόρτισης επειδή συχνά παρέχουν βασική ισχύ και η παραγωγή τους δεν εξαρτάται από τον καιρό. Οι συντελεστές φόρτισης που χρησιμοποιήθηκαν στο γράφημα προήλθαν από μια εργασία που δημοσιεύθηκε πέρυσι στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS) με συγγραφείς τους Natanael Bolson, Pedro Prieto και Tadeusz Patzek.
Όπως φαίνεται παραπάνω, όταν συμπεριλάβετε τους συντελεστές φόρτισης για τις διάφορες μορφές παραγωγής, η υπεράκτια αιολική ενέργεια φαίνεται ακόμη χειρότερη από πριν, απαιτώντας περίπου 27 φορές περισσότερα μέταλλα και ορυκτά ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας από την παραγωγή από φυσικό αέριο και περισσότερα από 10 φορές περισσότερα από όσα χρειάζονται για τα εργοστάσια άνθρακα και πυρηνικά. Αυτό βοηθά να εξηγηθεί γιατί τόσα πολλά υπεράκτια έργα βρίσκονται τώρα σε οικονομικά προβλήματα.
Στην εργασία τους, «Capacity factors for electrical power generation from renewable and nonrenewable sources», οι Bolson και οι συν-συγγραφείς του γράφουν ότι «οι συντελεστές φόρτισης απαιτούνται για μια ακριβή ποσοτικοποίηση της ονομαστικής ικανότητας παραγωγής που απαιτείται για την αντικατάσταση και επέκταση της τρέχουσας υποδομής ηλεκτρικής ενέργειας». Εξέτασαν παγκόσμιους συντελεστές φόρτισης για «βιομάζα, ορυκτά καύσιμα, γεωθερμική θερμότητα, νερό, ουράνιο, ηλιακό φως και άνεμο κατά την περίοδο 2000–2017. Παγκόσμιες και περιφερειακές τιμές εκτιμώνται για να αναδειχθούν οι διαφορές στην απόδοση διαφορετικών τεχνολογιών. Αυτές οι μέσες τιμές CF χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για τον υπολογισμό της απαιτούμενης ονομαστικής ικανότητας που θα εγκατασταθεί στο μέλλον για την αναπόφευκτη ενεργειακή μας μετάβαση.»
Χρησιμοποιώντας τους συντελεστές φόρτισης από την εργασία των PNAS, ο Roger έκανε μερικές υποθέσεις. Πρώτον: η παραγωγή από φυσικό αέριο απαιτεί ένα χιλιόγραμμο μετάλλων και ορυκτών ανά μεγαβατώρα. Υπέθεσε επίσης 1.000 μεγαβάτ ισχύος για κάθε τεχνολογία με τα εργοστάσια να λειτουργούν για ένα χρόνο. Τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά. Η ηλιακή ενέργεια απαιτεί περίπου 27 φορές περισσότερα μέταλλα και ορυκτά από το φυσικό αέριο και η χερσαία αιολική ενέργεια απαιτεί περίπου 19 φορές περισσότερα. Ακόμα κι αν αυτοί οι υπολογισμοί υπερβάλλουν τις διαφορές μεταξύ των διαφόρων ενεργειακών πηγών κατά 20% ή 30%, εξακολουθούν να δείχνουν γιατί ο ήλιος και ο άνεμος είναι ο λάθος δρόμος.
Συνοψίζοντας, είτε εξετάζουμε τα ενεργειακά μας συστήματα και συστήματα ισχύος μέσα από τον φακό του EROEI, είτε της υλικής έντασης της παραγωγικής ικανότητας, είτε της υλικής έντασης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τα συμπεράσματα είναι αδιάψευστα: ο Σιδηρός Νόμος της Πυκνότητας Ισχύος δεν πρόκειται να καταργηθεί. Αν είμαστε σοβαροί για τη μείωση των εκπομπών, την εξοικονόμηση γης, την πρόληψη της βιομηχανοποίησης των ωκεανών μας, τη διάσωση της Δεξιάς Φάλαινας του Βόρειου Ατλαντικού, τη διάσωση των Χρυσαετών και των Φαλακρών Αετών, την προστασία των νυχτερίδων και τη μείωση της ποσότητας εξόρυξης που πρέπει να κάνουμε για να παράγουμε τα μέταλλα, ορυκτά και μαγνήτες που χρειάζονται για τα ενεργειακά μας συστήματα και συστήματα ισχύος, ο δρόμος μπροστά είναι τώρα – και θα είναι πάντα – N2N: από το φυσικό αέριο στα πυρηνικά.
Αν σας άρεσε αυτό το άρθρο, μοιραστείτε το, εγγραφείτε για να λαμβάνετε περισσότερο περιεχόμενο και αν θέλετε να στηρίξετε το συνεχές έργο μου, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον παρακάτω σύνδεσμο.
— Δικτυογραφία:
The Power Of Power Density - Robert Bryce
