Nevarnost padca z energijske pečine?

Kdor verjame, da lahko eksponentna rast traja neskončno dolgo na končnem planetu, je ali norec ali pa ekonomist.
Kenneth E. Boulding

Obstaja mnogo poljudnih in strokovnih člankov, ki podpirajo trenutne ukrepe za tako imenovano razogljičenje. Obstaja pa tudi mnogo strokovnih (a precej manj poljudnih) člankov, ki trdijo, da se s trenutnimi ukrepi v tržno naravnanem gospodarstvu in potrošniški družbi razogljičenja ne da doseči in da se bo stanje še poslabšalo, če nadaljujemo po poti predpostavke trajne gospodarske rasti.

Koliko električne energije v resnici porabimo? Kako ogromne in drage bi bile v Sloveniji nadomestne elektrarne na energijo sonca? Kaj so manj znana, največkrat namenoma zamolčana dejstva o motivih in posledicah forsiranja trenutno znanih tehnologij za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov energije (OVE)? Čeprav vodna energija spada med obnovljive vire, se v nadaljevanju kratica OVE uporablja le za »nove« tehnologije, kot so sončne in vetrne elektrarne.
 

Struktura svetovne porabe energije

Koliko je svet uspešen pri opuščanju fosilnih goriv, najbolje razkrije primerjava svetovne strukture virov primarne energije v letih 1971 in 2017 [Key world energy statistics, IEA, 2019]. Poraba energije se je v šestinštiridesetih letih 2,5-krat povečala, delež premoga pa se ni nič zmanjšal. To pomeni, da se je tudi absolutna poraba premoga 2,5-krat povečala. Zmanjšal se je le delež nafte na račun zemeljskega plina in jedrske energije. Povečanje deleža obnovljivih virov in biogoriv je zanemarljivo, kljub intenzivni gradnji elektrarn OVE v razvitih državah v zadnjih desetih letih.

Za človekov obstoj električne energije v bistvu ne potrebujemo, saj je le‑ta v masovni uporabi šele zadnjih 130 let. Je pa možno električno energijo pretvoriti v vse energije, ki so za naš obstoj izjemno pomembne: mehansko delo, toploto, svetlobo, zvok ... Električna energija je tudi poceni in dostopna.

V prihodnosti naj bi električna energija nadomestila precejšen delež energije naftnih derivatov v prometu. V Sloveniji je bil leta 2018 delež električne energije v rabi končne energije 24 odstotkov, delež naftnih derivatov, ki se porabijo za promet, pa kar 38 odstotkov. Ob upoštevanju realnih izkoristkov motorjev z notranjim zgorevanjem bi se pri 50-odstotni elektrifikaciji prometa poraba električne energije povečala za okoli 25 odstotkov. Za toliko bi bilo treba povečati proizvodne zmogljivosti elektrarn ali uvoz električne energije ter nadgraditi omrežje za prenos in distribucijo električne energije.
 

Hipotetični prehod na sončno energijo

Če bi želeli nadomestiti proizvodnjo TE Šoštanj in enote TE-TOL Energetike Ljubljana, ki proizvajata približno tretjino slovenske električne energije, s sončno elektrarno, bi morali 25 km2 Slovenskega primorja prekriti s fotonapetostnimi moduli, na Kraškem robu pa zgraditi rezervoar za sezonsko skladiščenje morske vode z volumnom, petdesetkrat večjim od volumna Blejskega jezera. Če bi želeli nadomestiti še NE Krško, ki v grobem proizvede drugo tretjino slovenske električne energije, bi morali postaviti še eno tako fotonapetostno elektrarno. Seveda bi lahko namesto enega velikega objekta zgradili več manjših objektov, razpršenih po Sloveniji, a bi bila taka izvedba manj učinkovita in dražja.


Na zemljevidu osončenosti Slovenije sta v merilu narisani površini fotonapetostnega polja in rezervoarja, če bi le-ta imel globino petnajst metrov. Z moduli in rezervoarjem bi prekrili velik del Slovenskega primorja in povsem jasno je, da so površine, zasedene z elektrarno, prevelike za dejansko izvedbo. Po naši konservativni oceni bi bila proizvodna cena električne energije iz alternativne elektrarne 5- do 10-krat višja od proizvodne cene električne energije iz termoelektrarn na premog.
 

Omejenost obnovljivih virov

Tehnično gledano je oskrba z električno energijo iz OVE vsekakor možna. Sonce pošilja na zemljo veliko več energije, kot je potrebujemo. Imamo tehnologijo za proizvodnjo električne energije iz OVE in omrežje za prenos in distribucijo električne energije. Časovno usklajevanje proizvodnje in porabe pa se da zagotoviti z objekti za začasno skladiščenje energije, kot so na primer črpalne hidroelektrarne.

Obstaja pa več razlogov (Charles A. Hall, Energy Return On Investment, Lecture Notes in Energy, Volume 36, Springer, 2017), zakaj trenutne tehnologije OVE ne bodo mogle potešiti pohlepa človeštva po električni energiji:
• potrebno je nadomestiti ogromno količino energije
• energijska gostota OVE je majhna
• specifična moč elektrarn na OVE je majhna
• OVE so časovno nepredvidljivi in nekonstantni
• OVE so, globalno gledano, prostorsko neenakomerno porazdeljeni.

Za gradnjo tolikšnih kapacitet elektrarn OVE, ki bi bile sposobne kvalitetne in neprekinjene oskrbe z električno energijo in bi lahko nadomestile proizvodnjo fosilnih elektrarn, bi bile potrebne ogromne količine energije iz obstoječih elektrarn, kar omejuje hitrost ekspanzije.



V članku (Trainer T., Some Inconvenient Theses, Energy Policy, 2014) avtor na šestih straneh na zelo razumljiv način razloži tezo, da je prehod na obnovljive vire energije sicer uresničljiv, a nikakor ne v potrošniški družbi, v kateri je najvišji cilj gospodarska rast in v kateri prevladuje pohlep po materialnem bogastvu.
 

Nevarnost kanibalističnega učinka

Hitrost ekspanzije katerekoli alternativne tehnologije za proizvodnjo električne energije je omejena s tako imenovanim kanibalističnim učinkom (Pierce, Limitations of Greenhouse Gas Mitigation Technologies Set by Rapid Growth and Energy Cannibalism, Proceedings Climate 2008/Klima 2008). Za sočasno večanje proizvodnje energije in hkratno nadomeščanje proizvodnje obstoječih elektrarn mora katerakoli alternativna tehnologija naraščati počasneje, kot znaša doba vračanja energije, vložene v njeno gradnjo in obratovanje. V nasprotnem primeru pride do kanibalističnega učinka, ko se proizvodnja novih alternativnih elektrarn uporablja samo za proizvodnjo bodočih alternativnih elektrarn, namesto da bi nadomestila proizvodnjo že obstoječih elektrarn. Na primer, če bi bila doba vračanja vložene energije za fotonapetostno elektrarno štiri leta in če bi flota teh elektrarn naraščala hitreje kot 25 odstotkov letno, bi morale preostale elektrarne (fosilne, jedrske, hidro …) proizvajati več električne energije, kot če se fotonapetostne elektrarne sploh ne bi gradile.

S prehitro ekspanzijo elektrarn OVE se torej lahko zaradi kanibalističnega učinka celo poveča proizvodnja električne energije s fosilnimi in jedrskimi elektrarnami. Za identifikacijo tega pojava pa ne zadošča analiza strukture proizvodnje električne energije v posameznih državah, ampak je treba pogledati strukturo globalne proizvodnje. Mnogo držav zahodnega sveta, v katerih delež električne energije iz fosilnih virov upada, namreč gradi svoje elektrarne OVE s komponentami, proizvedenimi v drugih delih sveta, kjer poraba fosilnih virov narašča.
 

Obnovljivi viri in cena energije

Neenakomerna porazdelitev obnovljivih virov in fosilnih virov, različne strategije in različne stopnje razvoja svetovnih držav pogojujejo neenakomerno rast kapacitet elektrarn OVE in posledično velike razlike v ceni električne energije v posameznih državah. Pomemben razlog, da so cene električne energije v Evropi najvišje na svetu, je zelo intenzivna gradnja kapacitet elektrarn OVE. Povprečna cena električne energije v državah EU je opazno višja kot v ZDA. Cena električne energije v Nemčiji, ki ima v Evropi največji bruto družbeni proizvod, je 2,5-krat višja kot v ZDA in 4,3-krat višja kot na Kitajskem. Drugo in tretjo najvišjo ceno na svetu imata Nemčija in Danska (prvo mesto zasedajo svetovnogospodarsko manj pomembni Bermudi), ki imata v Evropi največji delež kapacitet elektrarn OVE. Slovenija leži v povprečju držav EU.



Doslej so se vse ekonomske recesije začele kmalu po nenadnem dvigu cene nafte. Hiter porast cene in visoka cena energije torej močno negativno vplivata na gospodarsko rast. Ker naj bi električna energija iz obnovljivih energijskih virov v prihodnosti nadomeščala fosilno energijo, bo imela njena cena enak vpliv na gospodarsko rast, kot jo ima trenutno cena nafte.
 

Eroi in energijska pečina

Če želimo identificirati vse škodljive vplive neke naprave na okolje v njeni življenjski dobi (izdelava, obratovanje in razgradnja), je treba narediti analizo življenjskega cikla naprave (ang. Life Cycle Analysis ali LCA). Na podlagi rezultatov LCA je mogoče izračunati tudi razmerje med pridobljeno in vloženo energijo (EROI: Energy Return On Investment) [Charles A. Hall, Energy Return On Investment, A Unifying Principle for Biology, Economics, and Sustainability, 2017].


Razložimo pomen eroi s primerom proizvodnje biodiesla. Za proizvodnjo dveh litrov biodiesla se porabi en liter diesla (pridobivanje materiala in izdelava traktorja, gum, pluga, umetnih gnojil, metanola, luga, tovarne, fosilnega pogonskega goriva …). Ker je eroi razmerje med pridobljeno in vloženo energijo, v tem primeru znaša 2. Ker en liter porabimo za pridelavo naslednjih dveh litrov, nam za druge namene (npr. pogon vozil) ostane en liter biodiesla.

Za vzdrževanje trenutnega sloga življenja je v razvitih državah potreben neki mejni eroi, ki leži med 5 in 10. Analiza zgodovinskih podatkov za Anglijo med letoma 1300 in 1750, ko je bil standard življenja precej nižji od današnjega, je pokazala, da je družbeni eroi znašal med 2 in 3. Razvoj v zadnjih dvesto letih je temeljil večinoma na fosilnih gorivih, hidroenergiji in jedrski energiji, ki imajo faktorje eroi višje od 30. Masovna proizvodnja in uporaba biodiesla bi torej vodili v drastično zniževanje življenjskega standarda.

Globalni družbeni eroi se, zaradi izčrpanja najlažje dostopnih energijskih virov, počasi, a vztrajno niža. Uvajanje tehnologij, ki imajo eroi manjši od mejnega, še pospešuje trend nižanja družbenega eroi in nas potiska proti robu energijske pečine (ang. Net Energy Cliff). Izraz energijska pečina ponazarja obliko krivulje, ki prikazuje odvisnost neto razpoložljive energije od eroi. Rob energijske pečine leži nekje med vrednostmi 5 in 10. Pod temi vrednostmi vložena energija zelo hitro narašča, neto razpoložljiva energija, ki jo uporabljamo za metabolizem družbe, pa se hitro zmanjšuje.

Žal ni zanesljivih podatkov, koliko trenutno znaša globalni družbeni eroi niti koliko znaša družbeni eroi posameznih držav. Zaradi tega tudi ni jasno, koliko smo trenutno oddaljeni od roba energijske pečine. Zaradi monotonega zniževanja globalnega družbenega eroi in omejene razpoložljivosti energijskih virov skoraj gotovo ne bo prišlo do izrazitega povečevanja vstopnega energijskega toka, ampak do zmanjševanja proizvodnje in porabe končne energije.
 

Parazitsko delovanje

Če bi gradnjo elektroenergetskega sistema začenjali iz nič, bi vzporedno z elektrarnami na obnovljive vire gradili tudi objekte za začasno shranjevanje viškov energije in sproščanje shranjene energije v času nezadostne razpoložljivosti obnovljivih virov. S tem bi bile elektrarne na obnovljive vire sposobne samostojnega obstoja in bi se množile naravno in uravnoteženo.

Ker pa so bile najprej zgrajene termoelektrarne s pripadajočo infrastrukturo, se elektrarne na obnovljive vire vključujejo v že zgrajen robusten in predimenzioniran sistem. Razvil se je neke vrste parazitski odnos. V biologiji je parazit živalski ali rastlinski organizem, ki živi v ali na drugem živem bitju oziroma gostitelju in ne more živeti samostojno. Od parazitskega odnosa ima korist samo parazit (proizvajalci in lastniki elektrarn OVE), gostitelj (proizvajalci in lastniki termoelektrarn, upravljavci prenosnih omrežij) pa trpi škodo. Z razraščanjem parazita začne aktivnost gostitelja slabeti in se spreminjati (zmanjševanje proizvodnje termoelektrarn, pogosto obratovanje na tehnološkem minimumu, pogostejši zagoni in ustavitve, povečano nihanje moči zaradi kompenziranja nihanj v omrežju). Ko motnje, zaradi prekomernega razraščanja parazita, presežejo sposobnost gostitelja za njihovo kompenzacijo, začne gostitelj umirati (povečanje števila okvar in nenačrtovanih ustavitev, krajšanje življenjske dobe …). Posledično bo začel umirati tudi parazit (odklopi elektrarn na obnovljive vire ob prevelikih nihanjih moči), če se ne bo nehal razraščati ali če ne bo razvil sposobnosti za samostojen obstoj ter prenehal s parazitskim delovanjem.

Ekspanzija elektrarn na obnovljive vire se bo končala, ko bo začelo prihajati do večjih in dolgotrajnih motenj v oskrbi porabnikov z električno energijo zaradi nezmožnosti obstoječega sistema termoelektrarn za izenačevanje moči proizvodnje in porabe. Da bi se izognili fatalnemu zaključku parazitskega odnosa, bodo morale imeti nove sporadično delujoče alternativne elektrarne vgrajeno sposobnost za regulacijo izhodne moči oziroma sposobnost za samostojno obratovanje.
 

Fotonapetostne elektrarne so lahko neto porabnik energije

Če ima neka naprava ali proces eroi, manjši od ena, to pomeni, da je v njeno gradnjo, obratovanje in razgradnjo vložene več energije, kot je naprava proizvede v svoji življenjski dobi in je neto porabnik energije. V razpoložljivi literaturi najdemo za fotonapetostne elektrarne zaradi uporabe različnih vhodnih podatkov in bilančnih mej zelo različne izračune faktorjev eroi v razponu od 0,8 do 40. Faktorji eroi, ki so izračunani skladno s smernicami International Energy Agency, se gibljejo med 5 in 8, a ne vključujejo energijskih ekvivalentov cene delovne sile in investicijskih stroškov ter energije, porabljene za objekte za začasno skladiščenje energije.

Študije, ki podajajo visoke vrednosti eroi za fotonapetostne elektrarne, praviloma ne upoštevajo vseh energijskih vložkov in energijskih izgub. Če želimo opustiti fosilna goriva, je treba v izračun eroi vključiti tudi energijo, ki je potrebna za samostojno (neparazitsko) delovanje elektrarn na obnovljive vire in za kvalitetno oskrbo potrošnikov z električno energijo. Kvalitetna oskrba pomeni, da je oskrba neprekinjena in da se frekvenca in napetost električne energije vzdržujeta znotraj dopustnih mejnih vrednosti. Zaradi nihanja intenzivnosti in nepredvidljivosti sončnega obsevanja potrebujejo sončne elektrarne komplementarne objekte za začasno skladiščenje uskladiščene energije. Energijski vložki za gradnjo in obratovanje komplementarnih objektov in energijski vložki za, s tem povezano, nadgradnjo omrežja za prenos električne energije se morajo torej prišteti ostalim energijskim vložkom v fotonapetostno elektrarno. Nekateri avtorji prej omenjenih člankov trdijo, da so faktorji eroi fotonapetostnih elektrarn pod določenimi pogoji celo manjši od ena, kar pomeni, da take elektrarne niso sposobne zagotavljati električne energije niti za lastno reprodukcijo in da so neto porabniki električne energije.
 

Zaključek

Zaradi majhne energijske gostote, nepredvidljivosti in globalne razpršenosti obnovljivih virov ter majhne specifične moči elektrarn na obnovljive vire se z obnovljivimi viri, ne glede na ceno, ne da potešiti našega trenutnega pohlepa po energiji.
Za objektivno vrednotenje okoljske vzdržnosti katerekoli tehnologije je treba upoštevati vse vplive na okolje, ker drugače lahko dosežemo ravno nasprotni učinek od pričakovanega. Zaved(e)ni »zeleni« aktivisti zahtevajo brezpogojno proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov, pri čemer imajo mnogokrat ozek in subjektiven pogled na te tehnologije in so pri tem podobni slepim ljudem iz parabole o slonu in slepcih.

Spomniti se je treba, da je ravno uporaba fosilnih goriv z veliko gostoto energije omogočila tehnološki razvoj, ki ga doživljamo od začetka uporabe premoga dalje. Pred tem, ko je človeštvo živelo samo od obnovljivih energijskih virov, ni bilo na razpolago dovolj energije za razvoj panog, kot so izobraževanje, medicina in znanost. Ko bomo opustili fosilna goriva, se bomo odpovedali kreditu, ki nam ga daje planet v obliki energije fosilnih goriv, ki se je skladiščila pod njegovo površino milijone let. Kredita nam planet seveda ne bo odpisal. Vračali ga bomo z vložki v odpravljanje škode, ki jo z uporabo fosilnih goriv povzročamo okolju.

Dežurni krivci za onesnaževanje okolja so podjetja, ki črpajo nafto in kopljejo premog ter termoelektrarne, čeprav je primarni vzrok za onesnaževanje pohlep porabnikov po energiji.

Ko se pogovarjamo o zmanjšanju porabe energije, radi rečemo, da mora vsak posameznik začeti varčevati pri sebi. To je sicer res, vendar pa so osamljeni poskusi izrazitega varčevanja v potrošniški družbi podobni skoku z drvečega vlaka v upanju, da bo to ustavilo vlak. Brez politične akcije podobnega tipa in obsega, kot je trenutno forsiranje ekspanzije obnovljivih virov ter širokega družbenega konsenza, učinkovitega varčevanja z energijo ne moremo pričakovati.

Globalnega razogljičenja proizvodnje električne energije ne bo mogoče izvesti z uporabo trenutno razpoložljivih tehnologij za izrabo obnovljivih virov energije, ne da bi sočasno drastično zmanjšali porabo energije. Politično forsiranje nedozorelih tehnologij za proizvodnjo električne energije in sočasno vzpodbujanje gospodarske rasti je podobno skoku na glavo v prazen bazen z upanjem, da se bo vanj natekla voda (beri: da bo dozorela revolucionarna tehnologija za proizvodnjo električne energije), preden pademo na betonska tla. O dejanskih motivih za brezpogojno forsiranje ekspanzije tehnologij za izrabo obnovljivih virov energije se javno ne govori, vendar je vsekakor pomemben motiv vzdrževanje gospodarske rasti (čeprav umetno in kratkoročno), ki je bistven pogoj za preživetje tržnega gospodarstva. Imperativ gospodarske rasti je glavni razlog, da se o zmanjšanju porabe energije govori v glavnem le na nivoju uporabe varčnih žarnic in učinkovitih pogonskih motorjev, gradnje pasivnih hiš … (kar seveda ne zmanjšuje gospodarske rasti), ne pa tudi o opuščanju proizvodnje nesmiselnih in nepotrebnih izdelkov, proizvodnji trajnejših strojev in naprav, ki se jih da tudi popraviti in jih ni treba zavreči ob prvi okvari, optimizaciji transporta, zmanjšanju obsega poslovnih in turističnih potovanj …, kar bi pripomoglo k občutnemu zmanjšanju porabe energije za 30 odstotkov ali več, kolikor bi bilo potrebno, če želimo živeti od obnovljivih virov (a bi vsekakor ustavilo gospodarsko rast).



Ker ne verjamemo, da tvorci evropske in svetovne energijske strategije vsega tega, kar je bilo v tem prispevku povedanega, ne vedo, jim lahko očitamo sprenevedanje in tiščanje glave v pesek ter zamerimo zavestno škodljivo delovanje in prelaganje neizogibnega na kasnejši čas.

Za zdaj porabniki električne energije, razen na denarnicah, kar je že zniževanje življenjskega standarda, še ne občutimo posledic ekspanzije nedozorelih tehnologij za proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov. Če se bo ekspanzija nadaljevala in če bomo hkrati ukinjali fosilne termoelektrarne, se bomo približali meji stabilnosti elektroenergetskega sistema in robu energijske pečine. Da bi oskrba z električno energijo postala nestabilna ali da bi stopili čez rob energijske pečine, je po našem mnenju malo verjetno, ker bo že prej visoka cena energije ustavila gospodarsko rast in nas prisilila v spremembo načina življenja. Ob predpostavki zveznega in mirnega prehoda bo taka sprememba zelo dobrodošla s stališča ponovnega odkrivanja in uživanja nematerialnih vrednot, ki dejansko osrečujejo človeka.

Dr. Igor Kuštrin je znanstveni sodelavec na Katedri za energetsko strojništvo, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani. Dr. Andrej Senegačnik je izredni profesor na Katedri za energetsko strojništvo, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani.