Raport dla rządu fińskiego obala utopię polityki net zero

Ocena dodatkowej mocy wymaganej od systemów elektroenergetycznych wykorzystujących alternatywne źródła energii w celu całkowitego zastąpienia paliw kopalnych

Streszczenie

W niniejszym raporcie przedstawiono wyzwania związane z ambitnym zadaniem wycofania paliw kopalnych (ropy naftowej, gazu ziemnego i węgla), które są obecnie stosowane w silnikach spalinowych pojazdów (ICE) oraz do wytwarzania energii elektrycznej. Do wykonania przedstawionych tu obliczeń zastosowano nowatorskie podejście oddolne (w przeciwieństwie do typowego podejścia odgórnego).  Poprzednie badania koncentrowały się na szacunkowych kosztach produkcji i metryce śladu CO2, podczas gdy niniejszy raport opiera się na fizycznych wymaganiach materiałowych. Wszystkie dane, rysunki i wykresy zostały stworzone lub odtworzone z publicznie dostępnych źródeł i są odpowiednio cytowane.

Biorąc najpierw pod uwagę przypadek zastąpienia wszystkich pojazdów opartych na paliwach kopalnych technologią pojazdów elektrycznych (EVT), uważano, że w 2019 r. w użyciu będzie około 7,2 mln pojazdów elektrycznych.  Jednakże globalna flota pojazdów w tym czasie była szacowana na 1,416 mld pojazdów, co sugeruje, że tylko 0,51% globalnej floty jest obecnie elektryczne, a 99,49% globalnej floty jest jeszcze do zastąpienia.  Przechodząc następnie do globalnego systemu energetycznego, dane z 2018 roku szacują, że 84,7% było uzależnione od paliw kopalnych, podczas gdy odnawialne źródła energii (energia słoneczna, wiatrowa, geotermalna i biopaliwa) stanowiły jedynie 4,05% globalnej produkcji energii, a energia jądrowa stanowiła 10,1%.  Potwierdza to skalę wielu wyzwań, przed którymi stoimy.

Globalna decyzja strategiczna przyjęta przez większość narodów, aby wycofać się z systemów paliw kopalnych i zastąpić je systemami wytwarzania energii odnawialnej, jest w dużej mierze spowodowana emisją CO2 i związanymi z tym zmianami klimatycznymi, a nie kurczącymi się zasobami, chociaż powszechnie wiadomo, że zasoby ropy, gazu i węgla są ograniczone.  Ogólny plan można podsumować w następujący sposób: pojazdy ICE mają być stopniowo wycofywane i zastępowane pojazdami elektrycznymi (EV) oraz pojazdami zasilanymi wodorowymi ogniwami paliwowymi (H2-Cell).  EV mają być zasilane bateriami litowo-jonowymi. Wytwarzanie energii elektrycznej z węgla i gazu ma być stopniowo wycofywane i zastępowane elektrowniami słonecznymi, wiatrowymi, wodnymi, jądrowymi, geotermalnymi lub przetwarzającymi odpady na energię.

Wiedza na temat znanych zasobów mineralnych sugeruje, że surowce wymagane do produkcji i obsługi tych technologii odnawialnych będą miały prawdziwie globalny charakter. Nie będzie jednego narodu lub regionu geograficznego, który mógłby być naprawdę samowystarczalny. Dlatego też w niniejszym raporcie skupiono się na modelowaniu rentowności nowego globalnego ekosystemu przy użyciu obliczeń wykonanych specjalnie dla trzech znaczących graczy globalnych: gospodarki Stanów Zjednoczonych (USA), gospodarki europejskiej (UE-28) oraz gospodarki chińskiej.

Tam, gdzie było to możliwe, wszystkie zgłoszone tu dane pochodziły z roku 2018. Ze względu na ograniczenia związane z kwarantanną po pandemii Covid-19, rok 2019 może być ostatnim rokiem "normalnego" funkcjonowania globalnego ekosystemu. Obliczeniowe modele przewidują przyszłe scenariusze na następne kilkadziesiąt lat. Takie podejście uwzględnia typowy długi czas rozruchu od poszukiwań do odkrycia i rozpoczęcia wydobycia minerałów, który może wynosić od 10 do 30 lat, a także fakt, że na każde 1000 odkrytych złóż tylko jedno lub dwa stają się faktycznie opłacalnymi kopalniami. Jest to również zgodne z podobnie długimi cyklami produkcyjnymi od wynalazku do komercjalizacji.

Z przedstawionych tu obliczeń wynika, że całkowita dodatkowa roczna moc energii elektrycznej z paliw niekopalnych, którą należy dodać do globalnej sieci, będzie musiała wynosić około 37 670,6 TWh.  Przy założeniu takiego samego miksu energetycznego z paliw niekopalnych jak w roku 2018, oznacza to konieczność wybudowania i uruchomienia dodatkowych 221 594 nowych elektrowni.

Aby umieścić to w kontekście, całkowita flota elektrowni w 2018 roku (wszystkie typy, w tym elektrownie na paliwa kopalne) wynosiła tylko 46 423 stacji. Ta duża liczba odzwierciedla niższy wskaźnik zwrotu energii z zainwestowanej energii (ERoEI) w przypadku energii odnawialnej w porównaniu z obecnymi paliwami kopalnymi.

Obliczono również liczbę pojedynczych farm paneli słonecznych, farm wiatrowych, elektrowni jądrowych, elektrowni wodnych i zakładów przetwarzających odpady na energię, aby zapewnić to dodatkowe zapotrzebowanie na energię.  Istniejący system wytwarzania energii elektrycznej z paliw niekopalnych (9 528,7 TWh) musiałby zostać rozbudowany o dodatkowe moce, czterokrotnie przekraczające istniejący zakres. Każdy z modelowanych systemów opartych na paliwach niekopalnych ma praktyczne ograniczenia dotyczące rozbudowy, na przykład zaproponowano budowę 16 504 nowych elektrowni wodnych średniej wielkości, ale oczywiście elektrownie wodne można lokalizować tylko w bardzo specyficznych warunkach geograficznych i w skali globalnej może nie być wystarczającej liczby nowych lokalizacji, które byłyby opłacalne.

W pierwszej części raportu zbadano, jak każda rozwinięta gospodarka na świecie jest w dużym stopniu uzależniona od paliw kopalnych, co z kolei wiąże się z działalnością przemysłową, PKB gospodarki, produkcją żywności (cena i ilość ropy naftowej oraz produktów ropopochodnych, takich jak ropa naftowa w szczególności).

Druga część raportu określa ilościowo, w jaki sposób wykorzystywane są paliwa kopalne i w jakich ilościach są one zużywane.  Obliczenia zostały wykonane na podstawie śladu jednego pełnego roku działalności dla całego ekosystemu przemysłowego, w tym zużycia paliw kopalnych (ropy, gazu i węgla), ogrzewania, produkcji stali, wytwarzania energii elektrycznej, liczby pojazdów w każdej klasie oraz dystansu, jaki pokonały.

W trzeciej części raportu udokumentowano skalę i rozmiar systemu alternatywnych rozwiązań opartych na paliwach niekopalnych, analizując 6 różnych scenariuszy, od A do F. W scenariuszu A przeanalizowano logistykę i ślad, jaki pozostawia wycofanie pojazdów ICE napędzanych ropą naftową i zastąpienie ich pojazdami elektrycznymi. Scenariusz B opiera się na scenariuszu A, w którym wszystkie inne zastosowania paliw kopalnych (ogrzewanie gazowe budynków, produkcja stali z wykorzystaniem węgla oraz wytwarzanie energii elektrycznej z paliw kopalnych) zostały zastąpione systemami opartymi na paliwach niekopalnych. W scenariuszu C bada się opłacalność gospodarki opartej na wodorze. Scenariusz D analizuje opłacalność biopaliw, które często określane są jako jedyne prawdziwie odnawialne źródło energii. Scenariusz E ma na celu ustalenie, czy możliwe jest wystarczająco szybkie zwiększenie mocy elektrowni jądrowych do poziomu zapewniającego dostawy energii elektrycznej potrzebnej do zasilania systemów opartych na paliwach niekopalnych, zastępujących systemy oparte na paliwach kopalnych.  Wreszcie scenariusz F jest rozwiązaniem hybrydowym, opartym na wnioskach ze scenariuszy od A do E.

Podsumowując, stwierdzono, że każdy system zasilany paliwami niekopalnymi ma wyraźne zalety i wady w porównaniu z innymi systemami. Zalecenia dotyczą tego, kiedy należy stosować EV zasilane bateriami, a kiedy lepszą alternatywną technologią jest pojazd napędzany ogniwami wodorowymi, przy czym uwzględniono wymaganą moc elektryczną do ładowania baterii EV i produkcji wodoru.  Biopaliwa są zalecane do napędzania niewielkiej części przemysłu lotniczego, a biomasa jest zalecana do produkcji bioplastików, zastępując część istniejącego przemysłu tworzyw sztucznych. Energia jądrowa może zostać umiarkowanie rozbudowana w stosunku do obecnej mocy, aby wspierać niektóre działania przemysłowe i ogrzewanie budynków w okresie zimowym, zwłaszcza na półkuli północnej.

Po opracowaniu wielkości i zakresu śladu systemu energetycznego i transportowego opartego na paliwach niekopalnych, porównano go z istniejącymi studiami strategicznymi, w których badano również przyszłe cele w zakresie wycofywania paliw kopalnych. Stwierdzono, że we wcześniejszych pracach znacznie niedoszacowano liczbę pojazdów, które należy zastąpić i wspierać, co ma wpływ na przewidywane liczby pojazdów elektrycznych, akumulatorów i pojazdów napędzanych ogniwami wodorowymi, które należy wyprodukować, a to z kolei skutkuje niższym oszacowaniem wielkości wymaganej sieci elektrycznej. W związku z tym liczba wymaganych nowych elektrowni oszacowana w niniejszym opracowaniu jest znacznie większa niż w jakimkolwiek poprzednim raporcie. Ponadto obecne cele polityczne (np. Parlamentu Europejskiego) zakładają, że do roku 2030 30% światowego systemu energetycznego i transportowego będzie pochodziło ze źródeł odnawialnych. Do tego czasu pozostało zaledwie 8,5 roku, a czas inkubacji budowy nowej elektrowni może wynosić od 2 do 5 lat (lub 20 lat w przypadku elektrowni jądrowej).

Masa baterii litowo-jonowych potrzebnych do zasilania 1,39 mld pojazdów elektrycznych proponowanych w scenariuszu F wyniosłaby 282,6 mln ton. Wstępne obliczenia pokazują, że światowe rezerwy, a tym bardziej światowa produkcja, mogą nie wystarczyć do uzyskania wymaganej ilości baterii.  Teoretycznie światowe rezerwy niklu i litu są wystarczające, gdyby były one wykorzystywane wyłącznie do produkcji akumulatorów litowo-jonowych do pojazdów. Aby wyprodukować jeden akumulator dla każdego pojazdu w globalnej flocie transportowej (z wyłączeniem ciężarówek klasy 8 HCV), potrzebne byłoby 48,2% globalnych rezerw niklu z 2018 r. i 43,8% globalnych rezerw litu. W obecnych rezerwach nie ma również wystarczającej ilości kobaltu, aby zaspokoić to zapotrzebowanie i konieczne będzie odkrycie kolejnych.  Każda z 1,39 mld baterii litowo-jonowych mogłaby mieć użyteczny okres pracy tylko przez 8 do 10 lat. Tak więc, 8-10 lat po wyprodukowaniu, będą wymagane nowe baterie zamienne, albo z wydobytego źródła mineralnego, lub recyklingu metalu.  Jest mało prawdopodobne, aby było to praktyczne, co sugeruje, że całe rozwiązanie dotyczące baterii do pojazdów elektrycznych może wymagać ponownego przemyślenia i opracowania nowego rozwiązania, które nie będzie tak intensywnie wykorzystywać minerałów.

Energia elektryczna wytwarzana ze źródeł słonecznych i wiatrowych charakteryzuje się dużą nieregularnością dostaw, zarówno w cyklu 24-godzinnym, jak i w kontekście sezonowym. Jeśli te systemy wytwarzania energii mają być wykorzystywane na dużą skalę, konieczny jest bufor energii.   To, jak duży powinien być ten bufor, jest przedmiotem dyskusji. W niniejszym raporcie przyjęto ostrożne szacunki, zakładające 4-tygodniowy bufor mocy dla energetyki słonecznej i wiatrowej w celu zarządzania sezonem zimowym na półkuli północnej. Ze scenariusza F wynika, że pojemność bufora mocy dla globalnego systemu elektroenergetycznego wynosiłaby 573,4 TWh.

W 2018 r. elektrownie szczytowo-pompowe dołączone do systemu wytwarzania energii wodnej stanowiły 98% istniejącej zdolności magazynowania mocy. Gdyby ten bufor mocy był dostarczany z wykorzystaniem banków baterii litowo-jonowych, masa baterii litowo-jonowych wyniosłaby 2,5 mld ton. To znacznie przekracza światowe rezerwy i nie jest praktyczne. Nie jest jednak jasne, w jaki sposób ta zbuforowana moc mogłaby być dostarczona za pomocą alternatywnego systemu. Jeśli nie zostanie opracowany system alternatywny, może się okazać, że nie będzie można skalować wytwarzania energii wiatrowej i słonecznej do proponowanego zakresu globalnego.

Obecnie oczekuje się, że globalne przedsiębiorstwa przemysłowe zastąpią złożony ekosystem energetyki przemysłowej, którego budowa trwała ponad sto lat. Obecny system został zbudowany przy wsparciu najbardziej kalorycznego źródła energii, jakie kiedykolwiek znał świat (ropa naftowa), w tanich, obfitych ilościach, z łatwo dostępnym kredytem i pozornie nieograniczonymi zasobami mineralnymi.  Wymiana będzie musiała nastąpić w czasie, gdy energia jest stosunkowo bardzo droga, system finansowy kruchy, nasycony długami, minerałów za mało, a populacja świata bezprecedensowa, osadzona w pogarszającym się środowisku naturalnym. Co najtrudniejsze, trzeba to zrobić w ciągu kilku dekad. Zdaniem autora, w oparciu o przedstawione tu nowe obliczenia, prawdopodobnie nie uda się to w pełni zgodnie z planem.

Podsumowując, niniejszy raport sugeruje, że zastąpienie istniejącego systemu zasilanego paliwami kopalnymi (ropa, gaz i węgiel), przy użyciu technologii odnawialnych, takich jak panele słoneczne czy turbiny wiatrowe, nie będzie możliwe dla całej globalnej populacji ludzkiej. Nie ma po prostu wystarczająco dużo czasu ani zasobów, aby dokonać tego w ramach obecnego celu wyznaczonego przez najbardziej wpływowe kraje świata. To, co może być zatem konieczne, to znaczne ograniczenie społecznego zapotrzebowania na wszystkie zasoby, wszelkiego rodzaju. Wiąże się to z zupełnie inną umową społeczną i radykalnie innym systemem zarządzania niż ten, który obowiązuje obecnie. Nieuchronnie prowadzi to do wniosku, że istniejące sektory energii odnawialnej i systemy technologii pojazdów elektrycznych są jedynie stopniami do czegoś innego, a nie ostatecznym rozwiązaniem. Zaleca się, aby zastanowić się nad tym i czym może być to coś innego.

autor:

Simon Michaux

źródło:

https://tupa.gtk.fi/raportti/arkisto/42_2021.pdf