Πριν λίγο καιρό η Ευρωπαϊκή Ένωση παρουσίασε το σχέδιό της για την «πράσινη μετάβαση»: μείωση των καθαρών εκπομπών θερμοκηπικών αερίων κατά 55% έως το 2030 (σε σχέση με τα επίπεδα του 1990) και κατά 100% έως το 2050. Ο τελικός σκοπός είναι καθ’ όλα αξιέπαινος όμως οι μέθοδοι που προτείνονται για την επίτευξή του έχουν κάποια σημαντικά τεχνικά κενά στα οποία σπανίως γίνεται μνεία.
Στα κείμενα της ΕΕ αναφέρονται πολλές καινοτομίες, όπως επαναδέσμευση CO2, βιοκαύσιμα, έξυπνα δίκτυα, κυκλικότητα. Όμως κεντρικός πυλώνας της πράσινης μετάβασης είναι ο εξηλεκτρισμός της κατανάλωσης από τον τελικό χρήστη: π.χ. αυτοκίνητα με ηλεκτρικούς κινητήρες αντί για μηχανές εσωτερικής καύσης.
Προφανώς, αυτό δεν θα έχει κανένα νόημα αν η αυτή ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από υδρογονάνθρακες, καθώς κάτι τέτοιο απλώς θα μετατόπιζε τις ίδιες εκπομπές λίγα χιλιόμετρα μακρύτερα. Όπως σχολιάζει σκωπτικά φίλος με δεκαετίες εμπειρίας στον χώρο των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ): «Το ηλεκτρικό δεν παράγεται από την πρίζα!».
Η πράσινη μετάβαση λοιπόν βασίζεται στην παραγωγή ενέργειας από ΑΠΕ, οι οποίες δεν εκπέμπουν θερμοκηπικά αέρια. Ως προνομιούχες ΑΠΕ προκρίνονται η αιολική και η ηλιακή–η υδροηλεκτρική και γεωθερμική πολύ λιγότερο.
Εδώ καθόλου δεν θα εξετάσω το ότι αμφότερες έχουν ένα διόλου ευκαταφρόνητο περιβαλλοντικό αποτύπωμα ως προς τον χώρο που καταλαμβάνουν στα οικοσυστήματα στα οποία εγκαθίστανται. Δεν θα εξετάσω ότι οι λεπίδες των ανεμογεννητριών είναι εξαιρετικά δύσκολες στην ανακύκλωσή τους και ότι σε μεγάλο βαθμό καταλήγουν να στοιβάζονται σε χωματερές. Καθόλου δεν θα ασχοληθώ με το ότι η παρασκευή πυριτίου για τα φωτοβολταϊκά είναι μια εξαιρετικά ενεργοβόρος και ρυπαρή βιομηχανία, ή ότι τα πάνελ περιέχουν πλήθος τοξικών χημικών για τα οποία δεν υπάρχει ολοκληρωμένη στρατηγική ανακύκλωσης.
Κάθε πηγή ενέργειας έχει το περιβαλλοντικό της αποτύπωμα–«externality» θα το έλεγαν οι οικονομολόγοι–και προϋποθέτει κάποια θυσία. Ίσως κάποιος αισιόδοξος θα έλεγε ότι αυτά να είναι τεχνικά προβλήματα τα οποία η ευφυΐα των επιστημόνων θα καταφέρει σε βάθος χρόνου να λύσει. Εν πάση περιπτώσει, τέτοια και άλλα προβλήματα δεν θα με απασχολήσουν επί του παρόντος.
Θα εστιάσω σε ένα και μόνον χαρακτηριστικό τους το οποίο δεν είναι ευεπίφορο αντιμετώπισης: ότι είναι διαλείπουσες, δηλαδή άνεμος και ηλιοφάνεια δεν εμφανίζονται ούτε συνεχώς, ούτε προβλέψιμα.
Αυτό σημαίνει ότι:
Όταν χρειαζόμαστε ενέργεια αλλά δεν φυσάει ή δεν έχει ήλιο, έχουμε έλλειψη.
Όταν δεν χρειαζόμαστε ενέργεια, η περίσσεια ηλιακής και αιολικής ενέργειας πηγαίνει χαμένη.
Δεν μπορούμε να προβλέψουμε πότε θα συμβαίνει το ένα και πότε το άλλο.
Αυτό το χαρακτηριστικό έχει σημαντικές συνέπειες, καθώς στα τελικά σενάρια της πράσινης μετάβασης, οι ΑΠΕ δεν προτείνονται απλώς ως ενέργειες φορτίου αιχμής, που δηλαδή βοηθούν να καλύπτουμε τις αιχμές της κατανάλωσης (όπως το φυσικό αέριο). Προτείνονται, τρόπον τινά, ως ενέργειες βάσης, που θα υποκαταστήσουν τον λιγνίτη και τα πυρηνικά. Ενέργειες δηλαδή τις οποίες θα πρέπει να έχουμε διαθέσιμες 24 ώρες την ημέρα, 365 ημέρες τον χρόνο.
Λόγω της διαλείπουσας φύσης τους, κλειδί για να είναι «διαθέσιμες» θα είναι η αποθήκευση της περίσσειας ενεργείας, ώστε να την καταναλώσουμε όταν ο ήλιος δεν λάμπει ή ο αέρας δεν φυσάει. Ειδάλλως επιστρέφουμε στις εποχές που αλέθαμε το σιτάρι μόνον όταν φύσαγε.
Επιστήμονες έχουν προτείνει πολλές ιδέες για την αποθήκευση αυτής της περίσσειας ενέργειας, με προεξάρχουσες την προσωρινή μετατροπή σε υδρογόνο ή την αποθήκευση σε μπαταρίες.
Το υδρογόνο...
Εννέα στους δέκα που το μνημονεύουν δεν συνειδητοποιούν ότι δεν αποτελεί πηγή ενέργειας–δεν το βρίσκουμε καθαρό στην φύση–αλλά αποθήκη ενέργειας.
Επί του παρόντος, το συντριπτικό ποσοστό υδρογόνου (96%) παράγεται από ορυκτά καύσιμα(!), με ένα 4% να παράγεται από ηλεκτρόλυση ύδατος, με ηλεκτρικό από πυρηνική ενέργεια. Αναλόγως με την μέθοδο παραγωγής του, στο υδρογόνο αποδίδεται κάποιο χρώμα, με το Άγιο Δισκοπότηρο να αποτελεί το «πράσινο υδρογόνο», που θα παράγεται με ηλεκτρόλυση ύδατος από την ηλεκτρική ενέργεια των ΑΠΕ.
Κάποιες θεμελιώδεις παρατηρήσεις:
Πρώτον, η παραγωγή υδρογόνου από ηλεκτρόλυση ύδατος έχει απόδοση 50-80% αναλόγως την εγκατάσταση.
Δεύτερον, η συμπίεση/υγροποίηση του υδρογόνου είναι ενεργοβόρος. Η συμπίεση στα 350 bar απαιτεί 2.07 kWh/kg, στα 700 bar 3.38 kWh/kg και η υγροποίησή του στους −253 °C απαιτεί από 7 έως 13 kWh/kg. Δεδομένου ένα κιλό υδρογόνου αποθηκεύει 39 kWh (140 MJ), η απλή συμπίεση καταναλώνει από 5.2% (350 bar) έως 8.6% (700 bar) της ονομαστικής ενέργειας. Η δε υγροποίηση, η πρακτικότερη μεγάλης κλίμακας μέθοδος αποθήκευσης, μεταξύ 18% και 33%.
Τρίτον, οι κυψέλες καυσίμου που θα μετατρέψουν το αέριο υδρογόνο σε ηλεκτρική ενέργεια (π.χ. στο ηλεκτρικό μας αυτοκίνητο) έχουν μέγιστη απόδοση 60%.
Ας φανταστούμε λοιπόν μια ηλιόλουστη μέρα που φυσάει... Τα αιολικά και φωτοβολταϊκά μας πάρκα όχι μόνον κάλυψαν την κατανάλωση, αλλά και παρήγαν 1000 kWh περίσσειας ενέργειας.
Στο καλό σενάριο, το χρήσιμο 80% (800 kWh) της ηλεκτρόλυσης, θα παράξει 20,5 kg H2. Αυτά με την σειρά τους θα παράξουν 479,7 kWh ηλεκτρικής ενέργειας στην κυψέλη καυσίμου, έχοντας όμως απαιτήσει ενδιαμέσως 143,5 kWh (18%) για να υγροποιηθούν, αφήνοντας καθαρές 336,2 kWh.
Στο κακό σενάριο, οι 500 kWh (50%) χρήσιμης ενέργειας θα παράξουν 12,8 kg H2, που θα παράξουν 300 kWh ηλεκτρικής ενέργειας, έχοντας όμως απαιτήσει 166,7 kWh (33%) για να υγροποιηθούν, αφήνοντας καθαρές 133,3 kWh.
Με άλλα λόγια, από τις 1000 kWh περίσσειας «πράσινης» ηλεκτρικής ενέργειας, θα μπορέσουμε τελικώς να χρησιμοποιήσουμε μόνον το 13-34% αν ενδιαμέσως το αποθηκεύσουμε σε υγροποιημένο υδρογόνο.
Και όλα αυτά, παραβλέποντας το ενεργειακό κόστος της αποθήκευσης, μεταφοράς και λιανικής διανομής σε χαμηλή θερμοκρασία, τις απώλειες λόγω βρασμού κλπ. Δηλαδή, τις κακές μέρες μπορεί και να δαπανάμε ενέργεια απλώς για να κρατάμε κρύες τις άδειες δεξαμενές στους −253 °C.
Το πρόβλημα με το υδρογόνο δεν είναι τεχνικό. Πανέξυπνοι μηχανικοί έχουν φτιάξει από δορυφόρους μέχρι αυτοκίνητα που δουλεύουν με κυψέλες καυσίμου που καταναλώνουν υδρογόνο.
Το πρόβλημα είναι οικονομικό. Εξαιτίας των νόμων της θερμοδυναμικής, σε κάθε μετατροπή ενεργείας η Φύση αποσπά φόρο πιο άπληστα και από την ίδια την Εφορία. Η αποθήκευση σε υδρογόνο απαιτεί πολλές διαδοχικές μετατροπές για την παραγωγή, αποθήκευση και κατανάλωσή του. Και με όλο το κόστος των υποδομών των ΑΠΕ, η ενέργειά τους θα είναι υπερβολικά ακριβή για να την σπαταλάμε τόσο αφειδώς σε τέτοιες μετατροπές.
Το πρόβλημα θα λυνόταν αν ένας αστεροειδής καθαρού υδρογόνου έπεφτε ξαφνικά στην Γη–το ανάλογο των κοιτασμάτων πετρελαίου. Μέχρι τότε όμως το οικονομικό νόημα της χρήσης υδρογόνου δύσκολα προκύπτει.
Και οι μπαταρίες...
Οι μπαταρίες, χωρίς τόσες μετατροπές ενέργειας, έχουν σαφώς καλύτερη απόδοση. Αλλά αυτές φτιάχνονται από μέταλλα, πολυμερή και ηλεκτρολύτες. Και τα μέταλλά τους θα πρέπει να εξορυχθούν. Για τι ποσότητες μιλάμε;
Μια απάντηση αποπειράται να δώσει μελέτη του Φινλανδικού ΙΓΜΕ, η οποία εκτείνεται σε πάνω από χίλιες σελίδες στην τελευταία της έκδοση. Δεν ασχολείται με οικονομικά μεγέθη, τιμές, κόστη και επιδοτήσεις, αλλά με την προμήθεια των απαραιτήτων πρώτων υλών.
Για εφαρμογές αυτοκίνησης, πρωταθλήτρια σήμερα είναι η μπαταρία ιόντων λιθίου, η κατασκευή της οποίας απαιτεί επιπλέον μέταλλα (νικέλιο, κοβάλτιο) και γραφίτη. Μένοντας μόνο στο λίθιο, και βασιζόμενος στην μέθοδο της μελέτης (σελ. 649-655), κάνω κάποιους δικούς μου υπολογισμούς με πιο πρόσφατα στοιχεία.
Η μάζα λιθίου που θα απαιτείτο για να κατασκευασθούν οι μπαταρίες του παγκοσμίου στόλου των περίπου 1,4 δισεκατομμυρίων ηλεκτροκίνητων οχημάτων της πράσινης μετάβασης (ΙΧ, δικύκλων, φορτηγών, αεροπλάνων, πλοίων, λεωφορείων, τραίνων, ηλεκτρικών πατινιών κλπ) θα ανερχόταν σε 6,1 εκ. τόνους, δηλ. 29% των βεβαιωμένων παγκοσμίων αποθεμάτων (21 εκ. τόνοι το 2020). Με ετήσια παραγωγή 95 χιλ. τόνων (κορύφωση της παραγωγής το 2018), θα χρειάζονταν 64 χρόνια εξόρυξης για να παραχθεί αυτή η πρώτη γενιά μπαταριών, η οποία θα είχε διάρκεια ζωής 8-10 ετών.
Μπορεί σε βάθος χρόνου νέα κοιτάσματα να ανακαλυφθούν και νέες εγκαταστάσεις εξόρυξης να κατασκευασθούν. Πάντως αν το στοίχημα του 100% είναι τουλάχιστον... «φιλόδοξο» για το 2050, το στοίχημα του 55% είναι χαμένο από χέρι για το 2030.
Και αυτό αφορά μόνον την αυτοκίνηση. Ακόμα δεν υπολογίσαμε τις στατικές μπαταρίες σταθεροποίησης του ηλεκτρικού δικτύου, οι οποίες θα αποθηκεύουν την περίσσεια ενέργεια των ΑΠΕ. Για την ακρίβεια, αν και σε απόφαση του 2019 η Κομισιόν φαίνεται να μην προκρίνει μια τέτοιας κλίμακας χρήση των μπαταριών, μελέτη του 2020 που η ίδια η Κομισιόν χρηματοδότησε προκρίνει και αυτή την χρήση.
Σύμφωνα με το σενάριο της φινλανδικής μελέτης (ενεργειακά αποθέματα τεσσάρων εβδομάδων για τον χειμώνα του Βορείου Ημισφαιρίου), αυτό θα απαιτούσε επιπλέον 54 εκ. τόνους λιθίου, δηλαδή ποσότητες τριπλάσιες των βεβαιωμένων αποθεμάτων, και χρόνους εξόρυξης 630 ετών.
Για άλλους τεχνικούς λόγους (θερμική σταθερότητα, γήρανση από κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης κ.ά.), η τεχνολογία μπαταριών λιθίου είναι ούτως ή άλλως ακατάλληλη για τέτοιας κλίμακας χρήσεις, και άλλες πιο κατάλληλες αναζητούνται. Ενδιαφέρον είναι ρεπορτάζ του CNBC που παρουσιάζει πειραματικές μεθόδους αποθήκευσης ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα, που χρησιμοποιούν από τετηγμένα ηλεκτρόδια και γερανούς με ανυψούμενους τσιμεντόλιθους έως συμπιεσμένο αέρα. Λύσεις ενδιαφέρουσες–αν και ακόμη πιο ενδιαφέρων ήταν ο τρόπος με τον οποίο οι εκπρόσωποι κάθε εταιρείας «έθαβαν» τις ανταγωνιστικές τεχνολογίες.
Σε κάθε περίπτωση όμως, για κάθε μια από αυτές τις τεχνολογίες, όταν και αν κριθούν βιώσιμες, θα πρέπει να γίνει η επώδυνη άσκηση υπολογισμού των εκατομμυρίων τόνων πρώτων υλών που θα απαιτηθούν για να στηρίξουν ένα διηπειρωτικό διασυνδεδεμένο ηλεκτρικό δίκτυο. Υπάρχουν τα υλικά διαθέσιμα; Πόση ρύπανση θα παράξει αυτή η εξόρυξη και πόσα βουνά θα κατασκάψουμε αναζητώντας «πράσινη» ενέργεια; Πόσος καιρός θα απαιτηθεί για την εξόρυξή τους;
Και, κυρίως, πόσος καιρός θα απαιτηθεί για να αντικαταστήσουμε συθέμελα ένα οικοσύστημα παραγωγής και διανομής ενέργειας που πήρε έναν αιώνα να στηθεί;
Συμπέρασμα
Αργά ή γρήγορα, όταν η μετάβαση στις ΑΠΕ αρχίσει να υλοποιείται σε μεγαλύτερο βαθμό, όταν ολοένα και περισσότερα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θα φορτώνονται στο δίκτυο, και όταν ολοένα και περισσότερες λιγνιτικές και πυρηνικές μονάδες θα αποσύρονται από την ηλεκτροπαραγωγή, αυτά τα θεμελιώδη προβλήματα θα αρχίσουν να γίνονται ολοένα πιο εμφανή. Ίσως τα δούμε ως διακοπές ρεύματος, ίσως ως κορυφώσεις των τιμολογίων λόγω ολοένα αυξανόμενης χρήσης μονάδων φορτίου αιχμής (π.χ. φυσικού αερίου), όπως παρατηρούμε σήμερα.
Πολυάριθμες τεχνολογικές λύσεις που έχουν προταθεί για την αποθήκευση της ενέργειας από ΑΠΕ είναι ευρηματικότατες, κυρίως όμως όταν εξετάζονται σε απομόνωση. Όταν επιχειρήσουμε να τις συνδυάσουμε σε ένα λειτουργικό σύνολο παρουσιάζουν πρακτικά αδιέξοδα που παραπέμπουν στις–εξίσου ευρηματικές–ιδέες που είχαν προτείνει δεκάδες εφευρέτες για αεικίνητα που αψηφούν τον Α’ και Β’ θερμοδυναμικό νόμο.
Αν δεν επιλέξουμε να κοιτάξουμε κατάματα αυτά τα θεμελιώδη προβλήματα τώρα που είναι ακόμα νωρίς, η Φύση θα το κάνει για μας. Αν φτάσουμε σε μη αντιστρεπτά τετελεσμένα, ακόμα κι αν αναθεωρήσουμε τους στόχους και τα χρονοδιαγράμματα της πράσινης μετάβασης, θα είναι αργά για να αποφύγουμε μια άγρια υποβάθμιση του βιωτικού μας επιπέδου, την οποία θα βιώσουμε είτε ως δραστική μείωση της διαθέσιμης ενέργειας, είτε ως δραστική αύξηση των τιμολογίων ρεύματος.
Αν αφήσουμε τα πράγματα να φτάσουν μέχρι εκεί, οι αυξήσεις της κιλοβατώρας που είδαμε προσφάτως θα είναι συγκριτικώς μια ευχάριστη ανάμνηση.