An inconvenient truth: nieuwe energie

Bill Gates heeft eens gezegd dat als het gaat om het begrijpen van energierealiteiten “we het probleem met wiskunde te lijf moeten gaan”. Hij heeft daar gelijk in.

Er gaat geen week voorbij zonder dat een burgemeester, CdK, beleidsmaker of expert zich aansluit bij de opdringerige mening om een ​​energie toekomst te eisen of voorspellen die volledig is gebaseerd op wind/zon en batterijen, bevrijd van de ‘last’ van fossiele brandstoffen waar samenlevingen overigens al eeuwenlang op overleven. Ongeacht iemands’ mening over de vraag, of en waarom, een energietransformatie nodig is, de fysica en economie van energie in combinatie met schaalrealiteiten duidelijk maken dat er binnen afzienbare tijd niets mogelijk is dat lijkt op een radicaal ‘nieuwe energie-economie’. toekomst. Bill Gates heeft gezegd dat als het gaat om het begrijpen van energierealiteiten: “we need to bring math to the problem.”

Hij heeft gelijk, dus in mijn recente rapport van het Manhattan Institute , “The New Energy Economy: An Exercise in Magical Thinking”, heb ik dat dan ook precies zo gedaan.

Dit is dan ook een samenvatting van enkele van de belangrijkste realiteiten uit de onderliggende wiskunde. (Zie het volledige rapport voor uitleg, documentatie en citaten.)

De realiteit over de omvang van de energievraag

1. Koolwaterstoffen leveren meer dan 80 procent van de wereldenergie: als dat allemaal in de vorm van olie zou zijn, zouden de vaten in een rij van Washington DC naar Los Angeles staan, en die hele rij zou elke week ter hoogte van het Washington Monument groeien .

2. De kleine daling van twee procentpunten in het aandeel van koolwaterstoffen in het wereldenergieverbruik leidde in die periode tot meer dan $ 2 biljoen aan cumulatieve wereldwijde uitgaven voor alternatieven; zon en wind leveren tegenwoordig minder dan twee procent van de wereldwijde energie.

3. Wanneer de vier miljard armen in de wereld hun energieverbruik verhogen tot slechts een derde van het niveau van Europa per hoofd van de bevolking, stijgt de mondiale vraag met een bedrag dat gelijk is aan tweemaal het totale verbruik in VS.

4. Een 100-voudige groei van het aantal elektrische voertuigen tot 400 miljoen op de weg in 2040 zou vijf procent van de wereldwijde vraag naar olie doen afnemen.

5. Hernieuwbare energie zou in twee decennia 90-voudig moeten groeien om wereldwijd de koolwaterstoffen te vervangen. Het duurde een halve eeuw voordat de wereldwijde aardolieproductie ‘slechts’ vertienvoudigde.

6. Het vervangen van de op koolwaterstof gebaseerde elektriciteitsopwekking in de VS in de komende 30 jaar zou een bouwprogramma vereisen dat het net uitbouwt met een snelheid die 14 keer groter is dan ooit in de geschiedenis.

7. Het elimineren van koolwaterstoffen om VSanse elektriciteit op te wekken (onmogelijk op korte termijn, voorlopig nog tientallen jaren onhaalbaar) zou 70 procent van het VSanse koolwaterstofverbruik ongemoeid laten – VS gebruikt 16 procent van de wereldenergie.

Sinds 1995 is het totale wereldwijde energieverbruik met 50 procent gestegen, een bedrag dat gelijk staat aan het toevoegen van tweemaal de volledige vraag in de Verenigde Staten.

8. Efficiëntie verhoogt de vraag naar energie door producten en diensten goedkoper te maken: sinds 1990 is de wereldwijde energie-efficiëntie met 33 procent verbeterd, de economie met 80 procent gegroeid en het wereldwijde energieverbruik met 40 procent gestegen.

9. Efficiëntie verhoogt de vraag naar energie: sinds 1995 is het brandstofverbruik per passagierskilometer met 70 procent gedaald, het luchtverkeer meer dan 10 keer zo hoog en het wereldwijde brandstofverbruik steeg met meer dan 50 procent.

10. Efficiëntie verhoogt de vraag naar energie: sinds 1995 is het energieverbruik per byte ongeveer 10.000 keer lager, maar het wereldwijde dataverkeer is ongeveer een miljoen keer gestegen; het wereldwijde elektriciteitsverbruik voor computers is enorm gestegen.

11. Sinds 1995 is het totale (wereldwijde) energieverbruik met 50 procent gestegen, een bedrag dat gelijk staat aan het toevoegen van tweemaal de volledige vraag in de Verenigde Staten.

12. Voor de veiligheid en betrouwbaarheid is er op elk moment een gemiddelde nationale vraag naar koolwaterstoffen van twee maanden in opslag. Vandaag de dag kan amper twee uur aan nationale elektriciteitsvraag worden opgeslagen in alle batterijen voor nutsvoorzieningen plus alle batterijen in de één miljoen elektrische auto’s in VS.

13. Batterijen die jaarlijks worden geproduceerd door de Tesla Gigafactory (’s werelds grootste batterijfabriek) kunnen drie minuten aan jaarlijkse elektriciteitsvraag in de VS opslaan.

14. Om genoeg batterijen te maken om de Amerikaanse elektriciteitsvraag voor twee dagen op te slaan, zou 1000 jaar productie door de Gigafactory (’s werelds grootste batterijfabriek) nodig zijn.

15. Elke $ 1 miljard aan geproduceerde vliegtuigen leidt tot ongeveer $ 5 miljard aan vliegtuigbrandstof die gedurende twee decennia is verbruikt om ze te vliegen. De wereldwijde uitgaven voor nieuwe jets bedragen meer dan $ 50 miljard per jaar – en stijgen.

16. Elke $ 1 miljard die aan datacenters wordt uitgegeven, leidt tot $ 7 miljard aan elektriciteitsverbruik gedurende twee decennia. De wereldwijde uitgaven aan datacenters bedragen meer dan $ 100 miljard per jaar – en stijgen.

Realiteit over de energie-economie

17. Over een periode van 30 jaar produceert $ 1 miljoen aan zonne- of windenergie op een nutsschaal respectievelijk 40 miljoen en 55 miljoen kWh: $ 1 miljoen aan schaliegas produceert genoeg aardgas om in 30 jaar 300 miljoen kWh te genereren.

18. Het kost ongeveer hetzelfde om één schalieput of twee windturbines te bouwen: de laatste, gecombineerd, produceert 0,7 vaten olie (equivalente energie) per uur , het schalieplatform gemiddeld 10 vaten olie per uur.

19. Het kost minder dan $ 0,50 om een ​​vat olie of het equivalent daarvan in aardgas op te slaan, maar het kost $ 200 om de equivalente energie van een vat olie in batterijen op te slaan.

20. Kostenmodellen voor wind en zon gaan uit van respectievelijk 41 procent en 29 procent capaciteitsfactoren (d.w.z. hoe vaak ze elektriciteit produceren). Gegevens uit de praktijk laten voor beide maar liefst tien procentpunten minder zien. Dat vertaalt zich in $ 3 miljoen minder geproduceerde energie dan aangenomen over een 20-jarige levensduur van een 2 MW $ 3 miljoen windturbine.

Als zonne-energie zou worden opgeschaald als computertechnologie, zou een zonnepaneel ter grootte van een postzegel het Empire State Building van stroom voorzien. Dat gebeurt echter alleen in stripverhalen.

21. Om de incidentele wind/zonne-output te compenseren, gebruiken de VS nutsbedrijven olie- en gasgestookte zuigermotoren (grote cruiseschip-achtige diesels); Sinds 2000 zijn er drie keer zoveel aan het net toegevoegd als in de 50 jaar daarvoor.

22. De capaciteitsfactoren van windparken zijn verbeterd met ongeveer 0,7 procent per jaar; deze kleine winst komt voornamelijk van het verminderen van het aantal turbines per hectare, wat leidt tot een toename van 50 procent van het gemiddelde land dat wordt gebruikt om een ​​wind-kilowattuur te produceren.

23. Meer dan 90 procent van de Amerikaanse elektriciteit, en 99 procent van de stroom die wordt gebruikt voor transport, is afkomstig van bronnen die gemakkelijk energie kunnen leveren aan de economie wanneer de markt daarom vraagt.

24. Wind- en zonne-energiemachines produceren gemiddeld 25 tot 30 procent van de tijd energie, en alleen als de natuur het toelaat. Conventionele energiecentrales kunnen vrijwel continu draaien en zijn beschikbaar wanneer dat nodig is.

25. De schaliegasrevolutie liet de prijzen van aardgas en steenkool instorten, de twee brandstoffen die 70 procent van de elektriciteit produceren in de VS. Maar de elektriciteitstarieven zijn niet gedaald, maar zijn sinds 2008 juist met 20 procent gestegen. Directe en indirecte subsidies voor zonne- en windenergie slurpten die besparingen op.

Energiefysica… ongemakkelijke realiteit

26. Politici en experts roepen graag maanlanding ambities op. Maar het transformeren van de energie-economie is niet hetzelfde als een paar mensen een paar keer op de maan zetten. Het is alsof je de hele mensheid op de maan zet – permanent.

27. Het gebruikelijke cliché: een energie-tech ontwrichting zal in de digitale tech- ontwrichting weerklinken. Maar informatie -producerende machines en energie -producerende machines omvatten een totaal verschillende fysica; het cliché is nog gekker dan appels met bowlingballen vergelijken.

28. Als zonne-energie zou worden opgeschaald als computertechnologie, zou een zonnepaneel ter grootte van een postzegel het Empire State Building van stroom voorzien. Dat gebeurt alleen in stripboeken.

29. Als batterijen zouden schalen als digitale technologie, zou een batterij ter grootte van een boek, wat drie cent kost, een straalvliegtuig naar Azië kunnen aandrijven. Ookdat gebeurt alleen in stripboeken.

30. Als verbrandingsmotoren zich zouden ontwikkelen zoals computers, zou een automotor krimpen tot de grootte van een mier en duizend keer meer pk’s produceren; echte miergrote motoren produceren 100.000 keer minder vermogen.

31. Er zijn geen digitaal-achtige 10x winsten voor zonnetechnologie. Fysieke limiet voor zonnecellen (de Shockley-Queisser-limiet) is een maximale omzetting van ongeveer 33 procent van de fotonen in elektronen; commerciële cellen zitten momenteel op 26 procent.

32. Er zijn geen digitaal-achtige 10x winsten voor windtechnologie. Fysische limiet voor windturbines (de Betz-limiet) is een maximale opname van 60 procent van de energie in bewegende lucht; commerciële turbines halen 45 procent.

33. Er zijn geen digitale 10x winsten voor batterijen: de maximale theoretische energie in een pond olie is 1500 procent groter dan de maximale theoretische energie in het beste pond aan batterijchemicaliën.

34. Er is ongeveer 60 pond aan batterijen nodig om het energie-equivalent van een pond koolwaterstoffen op te slaan.

35. Er wordt minstens 100 pond materiaal gewonnen, verplaatst en verwerkt voor elke pond gefabriceerde batterijstroom.

36. Voor het opslaan van het energie-equivalent van één vat olie, dat 300 pond weegt, is 20.000 pond Tesla-batterijen nodig (waarde $ 200.000).

37. Voor het vervoeren van het energie-equivalent van de vliegtuigbrandstof die wordt gebruikt door een vliegtuig dat naar Azië vliegt, zou $ 60 miljoen aan Tesla-type batterijen nodig zijn die dan vijf keer meer wegen dan dat hele vliegtuig.

38. Er is het energie-equivalent van 100 vaten olie nodig om een ​​hoeveelheid batterijen te vervaardigen die het energie-equivalent van een enkel vat olie kan opslaan.

39. Een batterij-gebaseerd elektriciteitsnet en autowereld betekent dat er meer gigaton van de aarde moet worden gewonnen om toegang te krijgen tot lithium, koper, nikkel, grafiet, zeldzame aardmetalen, kobalt, enz. – en miljoenen tonnen olie en steenkool te gebruiken, zowel voor de mijnbouw als voor de fabricage van metalen en beton.

40. China domineert de wereldwijde batterijproductie met een elektriciteitsnet dat voor 70 procent op kolen gestookt wordt: elektrische voertuigen die Chinese batterijen gebruiken, zullen meer koolstofdioxide produceren dan bespaard door het vervangen van oliegestookte motoren.

41. Men zou net zo min helikopters gebruiken voor regelmatige trans-Atlantische reizen – dat is te doen met buitengewoon dure logistiek – als een kernreactor om een ​​trein van stroom te voorzien of voltagesystemen om een ​​natie van stroom te voorzien.

Ingezonden door: Hans Bouwman
Vertaling: Ton Nijhof
Originele artikel: FEE stories