آیا می‌توان کل انرژی فسیلی را با انرژی‌های تجدیدپذیر جایگزین نمود؟

14 سپتامبر 2021، نویسنده: رابرت مک لاکلان، گفتگو – اعتبار Shutterstock/Tsetso Photo

سوخت‌های فسیلی چگونه تشکیل می‌شوند؟ چرا دی اکسید کربن آزاد می‌کنند؟ چه مقدار از انرژی جهان را تأمین می‌کنند؟ و منابع انرژی تجدیدپذیر که می‌توانند جایگزین سوخت‌های فسیلی شوند کدامند؟

سوخت‌های فسیلی در طول میلیون‌ها سال از بقایای گیاهان و حیوانات به دام افتاده در رسوبات تشکیل شده و سپس با گرما و فشار تغییر شکل داده‌اند. بیشتر زغال سنگ در دوره کربنیفر (360-300 میلیون سال پیش)، عصر دوزیستان و جنگل‌های باتلاقی وسیع، تشکیل شده است. فسیل درختان مقادیر زیادی کربن را از هوا به زیر زمین منتقل کرد و منجر به کاهش سطح دی اکسید کربن (CO2) اتمسفر شد – آن‌قدر که زمین را به حالت کاملاً یخ‌زده نزدیک کند.

این تغییر آب و هوا، همراه با تکامل قارچ‌هایی که می‌توانند چوب مرده را هضم کرده و کربن آن را به هوا بازگردانند، دوره تشکیل زغال سنگ را به پایان رساند.

نفت و گاز طبیعی متان، به طور مشابه، نه از درختان بلکه از پلانکتون اقیانوس، و در یک دوره طولانی‌تر تشکیل شده است. میدان نفتی مائوی نیوزلند نسبتاً جوان است و قدمت آن مربوط به دوران ائوسن، حدود 50 میلیون سال پیش است.

هنگامی که سوخت‌های فسیلی می‌سوزند، کربن آن‌ها با اکسیژن واکنش داده و دی اکسید کربن ایجاد می‌کند. انرژی اولیه خورشید که میلیون‌ها سال در پیوندهای شیمیایی ذخیره شده است آزاد می‌شود و کربن به هوا باز می‌گردد. یک مثال ساده سوزاندن گاز طبیعی است: یک مولکول متان و دو اکسیژن برای تولید دی اکسید کربن و آب با هم ترکیب می‌شوند:

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

سوزاندن یک کیلوگرم گاز طبیعی 15 کیلووات ساعت انرژی را در قالب تابش مادون قرمز (گرمای تابشی) آزاد می‌کند. این مقدار قابل توجه است. برای جلوگیری از بدتر شدن تغییرات آب و هوایی، باید سوخت‌های فسیلی را برای انرژی متوقف کنیم. این یک سفارش بزرگ است، زیرا سوخت‌های فسیلی 84 درصد از کل انرژی مورد استفاده تمدن بشری را تأمین می‌کند. (نیوزلند به 65 درصد کمتر به سوخت‌های فسیلی وابسته است.)

منابع احتمالی بسیاری از انرژی‌های تجدید پذیر یا کم کربن وجود دارد: هسته‌ای، برق آبی، باد، خورشیدی، زمین گرمایی، زیست توده (سوزاندن نیروگاه ها برای انرژی) و سوخت‌های زیستی (تولید سوخت‌های مایع یا گازی از گیاهان). تعداد انگشت شماری از نیروگاه‌های جزر و مدی در حال کار هستند و آزمایش‌هایی با تولید جریان موج و اقیانوس در حال انجام است.

اما، در میان این موارد، تنها دو مورد با ظرفیت مقیاس سرسام آور انرژی مورد استفاده ما باد و خورشید هستند. با وجود رشد چشمگیر (دو برابر شدن در کمتر از پنج سال)، باد تنها 2.2 درصد از کل انرژی و خورشید را 1.1 درصد تامین می‌کند.

انتقال منابع تجدیدپذیر

یکی از نعمت‌های صرفه جویی، که نشان می‌دهد تغییر کامل به انرژی تجدیدپذیر ممکن است، این است که مقدار زیادی از انرژی سوخت‌های فسیلی هدر می‌رود.

اول، استخراج، پالایش و حمل سوخت‌های فسیلی 12 درصد از کل مصرف انرژی را شامل می‌شود. دوم، سوخت‌های فسیلی اغلب به روش‌های بسیار ناکارآمد سوزانده می‌شوند، به عنوان مثال در موتورهای احتراق داخلی در اتومبیل‌ها. جهان مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر در وهله اول به نصف انرژی نیاز دارد.

منابع بالقوه خورشیدی و بادی بسیار زیاد است و هزینه‌ها به سرعت کاهش یافته است. برخی استدلال می‌کنند که ما می‌توانیم تا سال 2050 به انرژی تجدیدپذیر کامل از جمله خطوط انتقال و ذخیره انرژی و همچنین سوخت‌های مایع کاملاً مصنوعی روی آوریم.

در یکی از سناریوها نیوزلند 20 گیگاوات برق خورشیدی و 9 گیگاوات برق بادی تولید می‌کند. این غیرمنطقی نیست – استرالیا در پنج سال این مقدار را ساخته است. ما باید عجله کنیم ساخت نیروگاه‌های تجدیدپذیر زمان می‌برد و توسعه صنایع نیز زمان می‌برد.

عوامل دیگری که باید در نظر گرفته شود:

تغییر به انرژی‌های تجدیدپذیر مشکلات سوخت و تغییرات آب و هوایی را حل می‌کند، اما مشکلات افزایش استفاده از منابع را حل نمی‌کند. ساختن یک سیستم انرژی کاملا جدید مواد زیادی را در برمی‌گیرد که استخراج برخی از آن‌ها کمیاب و دشوار است. بر خلاف سوخت سوخته، فلز را می‌توان بازیافت کرد، اما این برای ساختن یک سیستم جدید برای اولین بار کمکی نخواهد کرد.

تحقیقات به این نتیجه رسیدند که اگرچه برخی از فلزات کمیاب هستند (به ویژه کبالت، کادمیوم، نیکل، طلا و نقره)، آن‌ها بیان کردند: «بعید است که یک سیستم انرژی تجدیدپذیر بتواند ذخایر و منابع فلزی را تا سال 2050 کاهش دهد.» همچنین فرصت‌هایی برای جایگزینی مصالح متداول وجود دارد، در حالی که کارایی آن‌ها کاهش می‌یابد.

اما بسیاری از فلزات بسیار محلی هستند. نیمی از ذخایر کبالت جهان در جمهوری دموکراتیک کنگو، نیمی از لیتیوم در شیلی و 70 درصد از خاک‌های کمیاب‌، مورد استفاده در توربین‌های بادی و موتورهای الکتریکی، در چین است.

مصرف بی رویه موضوع دیگری است. فناوری‌های جدید (روبات‌ها، هواپیماهای بدون سرنشین، اینترنت) و رشد اقتصادی منجر به افزایش استفاده از انرژی و منابع می‌شود. افراد ثروتمند از مقدار نامتناسبی از انرژی استفاده می‌کنند و مصرف بیش از حد را الگو قرار می‌دهند و دیگران را از بین می‌برند، از جمله ثروتمندان نوظهور در کشورهای در حال توسعه.

بنابراین این جایگزینی با چالش‌های بسیاری مواجه است و بشر در ابتدای راه است.

https://techxplore.com