Ah, hversu fallegt það væri! Heimur án jarðefnaeldsneytis: engin olíuslys, engin reykspúandi kolaorkuver, engin púströr og engar loftslagsbreytingar. Bara að planta nokkrum vindmyllum hér og þar, skipta út bensínbílunum fyrir rafbíla, og málið leyst, við getum haldið áfram að lifa lífinu eins og ekkert hafi í skorist!
Það er innbyggt í okkur mönnum að þegar við stöndum frammi fyrir vandamál þá reynum að finna auðveldustu leiðina út, sú sem gerir okkur kleift að leysa vandann með sem minnstu fyrirhöfn. Þeir sem selja okkur lausnir eru því mjög gjarnir á að bera fram auðveldar lausnir, sem eru því miður ekki alltaf raunhæfar. Töfralausnin þegar kemur að loftslagsbreytingum heitir "græna byltingin", stundum líka kölluð "orkuskipti". Stjórnmálamenn eru mjög hrifnir af henni, en sumir lofa okkur jafnvel að við munum græða á henni. Hver er ekki til í að fara veikur til læknis, og koma svo heim bæði læknaður og ríkur? Það sem hljómar of gott til að vera satt er stundum einmitt það: of gott til að vera satt. Er slík græn bylting möguleg? Hvað þyrfti til að skipta út allri þeirri orku sem við fáum úr jarðefnaeldsneyti fyrir "græna" endurnýjanlega orku?
Heimurinn er fullur af blekkjandi fyrirbærum, eins og þessar tvær línur hér að ofan. Efri línan virðist styttri en sú neðri, en er hún það? Eina leiðin til að komast að því er að taka upp tommustokkinn og mæla.
Það sama á við lausnir við loftslagsvandann: eina leiðin til að átta sig á því hvort lausn sé lausn er að taka upp reiknivélina og reikna út. Það er víst tímafrekt og flókið, jafnvel hundleiðinlegt myndu sumir segja, en það er eina leiðin. Hér verður gerð lítil tilraun til að finna út hvort rafbílar og vindmyllur geta bjargað okkur úr jarðefnaeldsneytisfíkninni.
Til að byrja með er gott að minna á að heitið "endurnýjanleg orka" er í besta falli hálfsannleikur. Þó að vindurinn, sólin, og vatnsaflið séu vissulega endurnýanleg, þurfum við mannvirki og tæki til að vinna þau. Þessi mannvirki og tæki eru búin til úr hráefnum sem eru yfirleitt ekki endurnýanleg. Tökum vindmylluna sem dæmi: í eina 3 MW vindmyllu þarf 1200 tonn af steypu, 335 tonn af stáli og nær 5 tonn af kopar meðal annara málma.
Það vill svo til að vinnsla endurnýjanlegrar orku er mjög málmfrek miðað við jarðefnaeldsneyti. Eins og sést á ritinu hér að neðan þarf u.þ.b 1,5 kg af málmum fyrir hvert MW af uppsettu afli í gasorkuveri, en í vindmyllu með sama afl þarf 10 til 16 tonn af málmum.
En í raun er munurinn ennþá meiri því þetta rit tekur ekki mið af óreglulegri framleiðslu vindmyllunnar: þar sem vindurinn nennir alltaf að blása framleiðir hún ekki nema 1/3 af því sem hún gæti gert, þannig að til að fá það sem samsvarar 1 MW af fullnýttu afli þarf ég 3 MW uppsett afl af vindmyllum, og þar af leiðandi þrisvar meiri málmur. Ef við leiðréttum fyrir þessa skekkju þá lítur myndin svona út (nú er raforkuframleiðsla með vindmyllu 30 sinnum málmfrekari en með jarðgasi):
Svipuð saga er að segja um rafbíla: rafhlöðurnar í þeim innihalda mikið af alls kyns málmum, sem eru að hluta til þeir sömu og eru notaðir í vindmyllur:
Nú er spurningin þessi: er nóg til af þessum málmum í heiminum til þess að framkvæma þessa "grænu byltingu" sem allir eru að tala um? Til þess að einfalda málið aðeins ætlum við hér að reyna að svara þessari spurningu með því að einbeita okkur eingöngu að einum af þessum málmum: kopar.
Ræsið reiknivélarnar, tilbúin, viðbúin, af stað!
Kopar er lykilhráefni í orkuframleiðslu og orkuflutningi. Árleg framleiðsla kopars í heiminum hefur tífaldast á síðustu hundrað árum, en kopar hefur þrjá góða eiginleika: hann hefur mikla rafleiðni, hann er þanþolinn (beygist vel) og hann er hægt að endurvinna. Það skemmir ekki fyrir að hingað til hefur verið nóg af honum sem þýðir að hann er talsvert ódýrari en silfur, eini málmurinn sem hefur meiri rafleiðni en kopar. Stærsti hluti þess kopars sem er framleiddur í dag fer annaðhvort í raforkuframleiðslu og -flutning eða í rafbúnað og raftæki:
Snúum okkur nú að vindmyllunum: hvað þarf mikið af kopar í eina vindmyllu og hvað þarf margar vindmyllur til að skipta út þá orku sem við notum nú í formi jarðefnaeldsneytis? Athugið að í mörgum tilfellum er illmögulegt að skipta út rafmagn fyrir olíu í dag nema að takmörkuðu leyti (svo sem í stórum flutningabílum, stórum skipum og flugvélum), en svona til að einfalda útreikninginn skulum við láta eins og þetta vandamál sé ekki til.
Í einni 2 MW vindmyllu og tengingu hennar við flutningskerfið þarf 5 til 20 tonn af kopar (vindmyllur úti á hafi þurfa meira kopar þar sem leiðslurnar eru lengri). Gefum okkur að helmingurinn af vindmyllunum séu á landi en hinn helmingurinn á sjó vegna plássleysis (eða vindleysis), þá er meðal koparinnihald 12 tonn per vindmyllu.
Hvað þurfum við þá margar af þessum vindmyllum til að svala orkuþorsta heimsins?
Framleiðsla á jarðefnaeldsneyti í heiminum í dag samsvarar um 140.000 Twst (1 terawatt = 1 billjón watt). 2 MW-vindmylla sem snýst á fullum hraða allt árið um kring getur framleitt um 17.500 Mwst (það eru 8760 tímar í árinu, 8760x2 = 17.520).
Þá þarf ekki nema 8 milljónir vindmyllur í grænu byltinguna:
8 milljónir x 17.500 (Mwst) = 140.000 Twst.
Nema hvað, það gleymdist eitt smáatriði. Duttlungar vindsins gera það að verkum að vindmyllan framleiðir ekki nema um 1/3 af því sem hún getur:
17.500 / 3 = 5800 Mwst á ári. Og nú er bara að reikna aftur:
140.000 Twst (heildarorkuþörf) / 5800 Mwst (framleiðsla á 2-MW vindmyllu)
= um 24 milljónir vindmyllur til að losa okkur við jarðefnaeldsneytið.
Ekkert svo mikið, er það?
Ah, en það gleymdist aftur eitt smáatriði. Áðurnefndar duttlungar vindsins gera líka að verkum að stundum er of mikið af orku (lognið að flýta sér) og stundum ekki neitt (golan að hvíla sér). Ekkert mál, við setjum raforkuna í geymslu á meðan hann blæs og tökum úr geymslu þegar hann dettur niður. Það er hægt að gera til dæmis með því að breyta raforkunni í vetni og notan síðan vetnið annað hvort beint á tæki eða til raforkuframleiðslu. Það eina sem er, er að við þetta ferli tapast um 2/3 af orkunni (það er m.a. þess vegna sem vetnisbílar hafa orðið undir í samkeppninni við rafbíla sem nýta orkuna beint) :
Gefum okkur að helmingurinn af orkunni sem vindmyllurnar framleiða fari beint í nýtingu, en hinn helmingurinn fer í geymslu fyrst, þá tapast 1/3 af heildarframleiðslunni. Ekkert mál, við setjum niður 50% fleiri vindmyllur til að vega upp á móti tapinu sem verður vegna geymslu. Þá erum við loksins komin með (nokkurn vegin) nógu margar vindmyllur til að anna eftirspurnina: 24.000.000 x 1,5 = 36.000.000 vindmyllur (2 Mw hver, en 1/3 þeirra framleiðir rafmagn sem fer til spillis vegna geymslu)
Og hvað þarf mikið af kopar í þessar vindmyllur?
12 (tonn af kopar) x 36 (miljónir vindmyllur) = 432.000.000 tonn af kopar, eða 432 Mt (Megatonn)
Þá er fyrsta kaflanum í grænu byltingunni okkar lokið. Nú er komið að hinum kaflanum: rafbílarnir. Hvað þarf mikið af kopar í einn rafbíl? Um það bil fjórum sinnum meira en í bensínbíl, eða 80 kg.
Í dag eru um það bil 1.5 milljarður bíla í heiminum, en langflestir þeirra (99%) eru bensín- eða díselknúnir. Skiptum þá alla fyrir rafbíla: hókus, pókus og voilà: 80 (kg af kopar) x 1.500.000.000 (bílar) = 120.000.000 tonn af kopar (120 Mt)
Nú er bara að reikna út koparþörf til annara nota: hún er í dag um 10 Mt á ári (aðallega í byggingar og hvers kyns raftæki) og ef við gefum okkur að þessi notkun heldur áfram að aukast um 1% á ári þar sem við viljum helst byggja enn meira og eignast enn fleiri raftæki, þá er heildarþörf fram til ársins 2050: 320 Mt (28 ár x 10 Mt + vöxtur). Tökum nú saman heildarþörf á kopar fyrir grænu byltinguna okkar, sem við þurfum að hafa klárað fyrir 2050 til þess að verða kolefnishlutlaus: Kopar í vindmyllur: 432 Mt
Kopar í rafbíla: 120 Mt
Kopar í allt annað 320 Mt
Samtals 872 Mt (eða 31 Mt á ári yfir 28 ár)
Hinn glöggi lesandi hefur kannski tekið eftir því að í útreikningunum mínum hef ég ekki gert ráð fyrir því sem kallast á fræðamáli "sjálfbæra þróun". En samkvæmt einhverjum spekingum skiptist heimurinn í tvennt: annars vegar hinar "þróuðu þjóðir" sem eru búnar að "meika það", ef svo má að orði komast, og hins vegar "þróunarlöndin" sem einu sinni voru kölluð "vanþróuð", en það þótti víst niðrandi að kalla glasið hálf tómt svo það var ákveðið að það væri hálf fullt.
Hvað þarf til að þjóð fái stimpilinn "þróuð"? Það þarf há landsframleiðsla (e. "GDP"). Og hvað þarf til að "þróunarlönd" geti framleitt meira? Það þarf fleiri verksmiðjur, fleiri vélar, og meiri orka til að láta framleiðsluna ganga. Þar sem "þróunarlöndin" þurfa helst að nota græna orku eins við hin, þá þýðir það fleiri vindmyllur. Hversu margar í viðbót?
Meðalorkunotkun á mann í heiminum er 12.700 Kwst á ári (öll orka innifalin, ekki eingöngu raforka), en í Evrópu er hún nánast tvöfalt hærri (23.000 Kwst). Sums staðar er hún mun meiri, en þarna eigum við Íslendingar enn eitt metið miðað við höfðatölu. Þetta þýðir að ef öll "þróunarlönd" vilja fá að nota eins mikla orku og við á Vesturlöndum (til þess að "þróast") þá þarf um það bil að tvöfalda meðalorkuframleiðslu í heiminum (úr 12.700 í 25.000 Kwst). Með öðrum orðum þarf að tvöfalda fjölda vindmyllna:
2 x 36.000.000 = 72 milljónir vindmyllna
Sem þýðir:
2 x 432 (Mt af kopar) = 864 Mt af kopar
En meiri framleiðsla er bara önnur hliðin á þróunarpeningnum. "Þróun" þýðir líka meiri kaupmáttur, og eitt af því sem aukinn kaupmáttur leiðir af sér er aukin bílanotkun. Þar sem íbúa í "þróunarlöndum" dreymir fyrst og fremst að eigna sér lífsstíl hins meðal vesturlandabúa þýðir það að bílaeign mun stóraukast. Bílaeign í Evrópu er að meðaltali 1 bíll á 2 íbúa. Uppfærum þetta á heimsskalann og það gerir 4 milljarðar bíla fyrir 8 milljarða íbúa. Þar sem okkar upphaflega plan gerði bara ráð fyrir 1,5 milljarð rafbíla þarf að margfalda það með 2,7: 2,7 x 1,5 = 4 milljarðar rafbíla
Sem þýðir: 2,7 x 120 = 324 Mt af kopar
Og nú er bara eftir öll önnur notkun á kopar (fyrst og fremst í byggingariðnaði og raftækjum). Evrópa kaupir í dag 20% af framleiðslu kopars í heiminum, en íbúar Evrópu eru aðeins 2% af íbúum jarðarinnar. Ef íbúar "þróunarlanda" ætluðu að ná okkur þarna þyrftu þeir líklega að tífalda sína koparnotkun (stærri húsnæði, miklu fleiri símar og tölvur, og meira af allskonar tækjum og tólum). En við skulum gefa okkur að þeir séu skynsamir í sinni "þróun" og sætti við það að við þreföldum koparnotkun til annarra nota og ekki orð um það meir: 3 x 320 = 960 Mt af kopar
Nú erum við búin að uppfæra "koparspána" okkar með því að gera ráð fyrir þróun hinna hálfþróuðu landa. Þetta gefur okkur eftirfarandi tölur: Kopar í vindmyllur: 864 Mt
Kopar í rafbíla: 324 Mt
Kopar í allt annað 960 Mt
Samtals: 2148 Mt af kopar
Þá erum alveg að nálgast endastöð í þessum útreikningi okkar. Það eru enn eitt og eitt atriði sem við höfum ekki gert ráð fyrir: við höfum ekki gert ráð fyrir styrkingu raforkuflutningskerfisins alls staðar í heiminum (sem er nauðsynlegur hluti að því að stórauka raforkuframleiðslu, sérstaklega ef sú framleiðsla er óregluleg eins og í tilviki vindorkunnar), við höfum ekki gert ráð fyrir neina fólksfjölgun, og við höfum ekki gert ráð fyrir neinn hagvöxt í "þróuðum löndum" (auðvitað viljum helst framleiða enn meira á morgun en í dag til þess að auka enn á kaupmátt okkar sem kallar síðan á enn meiri orkunotkun og enn fleiri/stærri bíla. Til að hlífa lesandanum við enn langdregnari útreikninga skulum við leyfa okkur að áætla mjög gróflega þessa auknu þörf fyrir kopar með því að rúna 2148 megatonn upp í 2500 megatonn (sem er líklega mjög hófleg spá þrátt fyrir allt).
2500 megatonn af kopar. Slegið!
Dreift yfir 28 ára tímabil gerir þetta 90 Mt á ári
Nú er bara að setja þessa tölu í samhengi. Hér er línurit yfir koparframleiðslu í heiminum síðustu hundrað árin:
Framleiðslan hefur tífaldast á síðustu 100 árum og er nú um 20 Mt á ári. Heildarþörfin fyrir grænu byltinguna okkar (2500 Mt) samsvarar 125 ár af framleiðslu miðað við núverandi framleiðslugetu. Við þyrftum að meira en fjórfalda framleiðslugetuna strax á morgun til að uppfylla þessa þörf (90 Mt á ári í stað 20 Mt). En hvað er mikið til að kopar í heiminum? Samkvæmt US Geological Survey er hægt að vinna um það bil 950 Mt af kopar. Það þýðir að jafnvel þó okkur tækist að fjórfalda framleiðsluna þá væri allt búið eftir 10 ár og græna byltingin andvana fædd.
Jafnvel þó við myndum biðja þróunarlöndin um að vinsamlegast hætta að þróast, þá þyrfti að tvöfalda framleiðslu kopars strax á morgun og þegar græna byltingin væri afstaðin væri heimsforði kopars uppurinn.
Við getum alltaf huggað okkur við það að hugslanlega finnst eitthvað meira af kopar. Það er ekki útilokað. En hvað með alla hina málmana sem þarf líka í þessa grænu byltingu: kóbalt, nikkel, liþíum og fleiri? Fræðimenn og stofnanir á borð við IEA (International Energy Agency) hafa nú þegar gefið út skýrslur þar sem varað er við mögulegan skort á ýmsum málmum á næstu árum og áratugum:
Sem dæmi má nefna að meðalstyrkur kopars í málmgrýtinu í koparnámum heimsins hefur lækkað úr 1,8% niður í 0.8% á síðustu 100 árum (það þarf að grafa upp 125 tonn af málmgrýti til þess að vinna 1 tonn af kopar, í stað 55 á móti 1 áður). Í gullnámum Ástralíu og Suður-Afríku hefur styrkur gulls í málmgrýtinu lækkað úr 20 grömm per tonn niður í 5 grömm per tonn. Því minni sem styrkur málms er í málmgrýtinu, því meiri orku þarf til að vinna hann. Því meiri orka þarf til að vinna málmana, því meira þarf af málmum til að framleiða orkuna (ef hún á að vera endurnýjanleg). Ef það hljómar eins og vítahringur þá er það af því að það er vítahringur.
En hvaða ályktun eigum við að draga af þessum útreikningum? Að það sé best að halda bara áfram að brenna jarðefnaeldsneyti því annað sé ekki raunhæft? Nei, því miður. "Status quo" er ekki í boði því jarðefnaeldsneyti er hvorki endurnýjanlegt né endurvinnanlegt, og hvað jarðolíu varðar hefur hámarksframleiðsla að öllum líkindum verið náð nú þegar og mun bara fara minnkandi það sem eftir er, alveg sama hvað við gerum eða gerum ekki í loftslagsmálum. Við eigum að sjálfsögðu að virkja endurnýjanlega orku þar sem það á við, sumstaðar verður það vatnsaflsorka, annars staðar vindorka eða sólarorka. Kjarnorka mun gegna mikilvægu hlutverki þótt hún sé tæknilega séð ekki endurnýjanleg, því hún felur í sér bæði mjög lítil losun gróðurhúsalofttegunda og mjög lítil þörf á bæði málmum og landgæðum til vinnslu.
En aðalatriðið er að við áttum okkur á því að "grænir" orkugjafar munu aldrei duga til að koma að öllu leyti í stað jarðefnaeldsneytis miðað við þann lífsstíl sem við höfum tileinkað okkur hér í "þróuðu löndunum". Og því munum við aldrei getað losa okkur við jarðefnaeldsneyti nema að endurskipuleggja samfélögin okkar frá grunni með það að markmiði að forgangsraða og fara sparlega með bæði orku og öðrum auðlindum, því öll orkuframleiðsla mun kalla á takmörkuðum, óendurnýjanlegum auðlindum, og útreikningar eins þessi segja manni alltaf þessa sömu sögu: að þær auðlindir munu aldrei duga til að gera 8 milljörðum jarðarbúa kleift að tileinka sér hinum vestræna lífsstíl eins og við þekkjum hann í dag.
Við skulum endilega nota vindmyllur þar sem þær geta komið að gagni, en við þurfum líka að draga úr orkunotkun þótt það sé erfitt, og við skulum endilega nota rafbíla í stað bensínbíla, en við þurfum líka að fækka bílum þar sem það er hægt, og létta þá svo þeir verði ekki eins málmfrekir, þótt það sé erfitt. Annars munu "grænar lausnir" ekki leysa vandann, heldur bara færa hann úr einum stað yfir í annan.
Græn bylting er ekki dans á rósum, hún er blóð, sviti og tár. En ef hún tekst, þá getur hún sparað okkur enn meira blóð, svita og tár, sem yrðu óhjákvæmileg afleiðing af loftslagsbreytingum yrði ekkert að gert.