گاز، باد یا خورشید؛ کدام انرژی به‌صرفه‌تر است؟

استخراج زغال‌سنگ یا نفت از زمین به انرژی زیادی نیاز ندارد. در مقابل، بیشتر منابع انرژی تجدیدپذیر که شامل دستیابی و پالایش منابع می‌شود، ساخت و نصب پیچیده‌ای دارد؛ بنابراین در نگاه اول، وقتی حرف از استفاده انرژی باشد، به نظر می‌رسد که انرژی فسیلی (با توجه به سرمایه‌گذاری برای استخراج) گزینه مناسب‌تری است. همین موضوع باعث شده است که برخی استدلال کنند که گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر باعث کاهش کلی تولید خالص انرژی می‌شود و هیچ کس علاقه‌ای به آن ندارد.

با این حال، مطالعه جدید محققان دانشگاه لیدز بریتانیا نشان می‌دهد که این موضوع، اصلاً نگران‌کننده نیست. در بیشتر کشور‌ها در حال حاضر، منابع تجدیدپذیر انرژی خالص بیشتری را در مقایسه با سوخت‌های فسیلی‌ای که جایگزین می‌کنند، تولید می‌کنند. نکته کلیدی هم آن است که انجام کار‌های مفید با الکتریسیته بسیار آسان‌تر از انجام آن‌کار با یک تکه زغال‌سنگ یا نفت خام است.

بهره‌وری انرژی و سودمندی

اگرچه استخراج سوخت‌های فسیلی از نظر انرژی ارزان است، اما موادی که از زمین خارج می‌شوند برای استفاده آماده نیستند. تبدیل آن‌ها به شکل مفید و انتقال‌شان به جایی که مورد نیاز است، هزینه زیادی دارد و پس از استفاده، انرژی از دست می‌رود. این موضوع به‌ویژه برای کاربرد‌هایی مانند موتور‌های درون‌سوز قابل‌توجه است که کمتر از نصف انرژی آزادشده از سوختن بنزین به حرکت تبدیل می‌شود.

محققان، شکل جایگزین از بازگشت سرمایه انرژی (EROI) را پیشنهاد کرده و آن را «EROI مرحله مفید» نامیده‌اند. این شکل جایگزین، اندازه می‌گیرد که چقدر انرژی لازم است تا یک واحد انرژی به روشی که جامعه برای آن ارزش قائل است، کار کند؛ مثلا خانه را گرم کند، ماشین را جابه‌جا کند، اتاقی را روشن کند و ...

البته این معیار پیچیده‌ای است، زیرا بستگی به نحوه استفاده از انرژی دارد که به‌وضوح از کشوری به کشور دیگر متفاوت است. بنابراین، اگرچه گاز طبیعی در زمان استخراج EROI یکسانی دارد؛ اما در کشوری که عمدتاً از گاز برای گرمایش استفاده می‌کند، EROI مرحله مفید با کشوری که از گاز برای تولید برق استفاده می‌کند، تفاوت خواهد داشت، زیرا این دو فعالیت بازده‌های متفاوتی دارند.

برای تجزیه و تحلیل EROI‌های مرحله مفید، محققان کمیت تازه‌ای را به نام «EROI مرحله نهایی» محاسبه کردند که انرژی مصرف‌شده را برای رساندن یک واحد انرژی به جایی که آماده استفاده است، ردیابی و تمام هزینه‌های انرژی استخراج، پردازش و تحویل آن را ارائه می‌کند. این اطلاعات به آن‌ها اجازه می‌دهد که این آمار را برای دوره ۵۰ ساله ۱۹۷۰ تا ۲۰۲۰ پیگیری کنند. آن‌ها پایگاه داده مصرف انرژی خود را در سطح ملی ساختند. از آنجایی که کارایی کاربرد‌های مختلف در دسترس است، پژوهشگران توانستند EROI مرحله مفید را در هر کشوری که داده‌های مربوط به آن را دارند، ردیابی کنند.

البته این اطلاعات شامل هزینه انرژی زیرساخت‌های مورد نیاز برای استخراج سوخت‌های فسیلی نیست که در مواردی مانند حفاری در خارج از ساحل، می‌تواند قابل‌توجه باشد. بنابراین، محققان پیشنهاد می‌کنند که احتمالاً EROI‌های مرحله مفید برای سوخت‌های فسیلی، بیش از حد برآورد می‌شود.

مقایسه EROI‌ها

تمرکز بر سودمندی تفاوت اساسی ایجاد می‌کند. با استفاده از داده‌های سال ۲۰۲۰، EROI نهایی سوخت‌های فسیلی که تحویل کاربر نهایی می‌شود بسیار خوب است، مقدار آن تقریباً ۸٫۵ است و به آن معنی است که برای هر عملی حدود ۸٫۵ واحد انرژی دریافت می‌کنید. (این میانگین در همه سوخت‌ها و مصارف است.) با این حال از تمام این مقدار انرژی دریافت‌شده فقط حدود ۳٫۵ واحد آن به طور مفید استفاده می‌شود که اصلا چیز خوبی نیست، چراکه افراد معمولا می‌خواهند به همان میزان که انرژی می‌گذارند، کار مفید انجام دهند.

با این حال، سوخت‌های مختلف ویژگی‌های بسیار متفاوتی دارند. EROI مرحله مفید در گاز طبیعی به ۹٫۵ واحد (بالاترین)، زغال‌سنگ به ۷٫۲، و فرآورده‌های نفتی تنها به ۲ می‌رسد؛ به این معنی که ما فقط ۲ برابر انرژی دریافتی از سوزاندن بنزین را برای تولید و استفاده از آن صرف می‌کنیم. بسیاری از این مقادیر در ۵۰ سال گذشته تا حد زیادی بدون تغییر مانده‌اند، البته به جز گاز طبیعی که شاهد کاهش چشمگیر EROI در آماده‌سازی برای استفاده و کاهش کمتری در EROI در مرحله مفید بوده است.

سهم بزرگی در این ارزش‌ها نحوه استفاده از این سوخت‌ها است. به عنوان مثال، مرحله مفید EROI برای گاز طبیعی در ساختمان‌های گرمایشی حدود ۱۲ است، به این معنی که می‌توان از آن به طور معقول و کارآمدی استفاده کرد. ارزش گرمایش با فرآورده‌های نفتی فقط حدود ۵ است. فرآورده‌های نفتی مورد استفاده در پیشرانه‌های جاده‌ای و ریلی نیز وحشتناکند به‌طوری‌که مقدار ان برای سفر ریلی کمی بالاتر از ۲ و برای جاده‌ها کمتر از ۲ است.

انرژی تجدیدپذیر بر منابعی همچون باد و خورشید متمرکز است که الکترون‌ها را به شبکه می‌رسانند و منابعی مانند تولید انرژی‌های تجدیدپذیر متان در این مرحله بسیار ناچیزند. انرژی تجدیدپذیر می‌تواند برای مواردی مانند گرمایش، حمل‌ونقل ریلی و جاده‌ای و سایر مصارف انجام‌شده با سوخت‌های فسیلی استفاده شوند. استفاده از این انرژی در بسیاری از این کاربرد‌ها بسیار کارآمد است؛ ابزار‌هایی مانند پمپ‌های حرارتی و موتور‌های الکتریکی در استفاده مفید، بسیار بهتر از سوخت‌های فسیلی هستند.

مقایسه انرژی‌های تجدیدپذیر

به طور متوسط، انرژی‌های تجدیدپذیر برای رقابت با سوخت‌های فسیلی به EROI نهایی کمتر از ۵ واحد نیاز دارند. بدترین ارزش مطلق مربوط به محصولات گاز طبیعی است، در حالی که انرژی‌های تجدیدپذیر به EROI نهایی کمی بیش از ۱۰ واحد نیاز دارند تا از نظر انرژی رقابتی باشند. در مقابل آن‌ها فقط به EROI نهایی ۳ واحد برای رقابت با محصولات نفتی نیاز دارند.

محققان بسیاری از EROI‌های نهایی را بررسی کردند. انرژی باد در حال حاضر با توجه به انرژی صرف‌شده در تولید و بهره‌برداری، از سوخت‌های فسیلی جلوتر است. حتی نگهداری از توربین‌های بادی نسبت به نگهداری از تجهیزات انرژی خورشیدی به طور متوسط کمی کمتر است

محققان همچنین تجزیه‌وتحلیلی میان کشور‌ها انجام دادند (جمهوری کنگو، ازبکستان و کره شمالی از این تحلیل مستثنی شدند) که نشان می‌داد تنها در دو کشور EROI نهایی خورشیدی بیشتر از EROI نهایی انرژی فسیلی است. محققان می‌گویند تقریباً در همه کشور‌ها می‌توان انتظار داشت انرژی‌های تجدیدپذیر، انرژی مفید خالص بیشتری نسبت به سوخت‌های فسیلی برگرداند.

بر اساس این داده‌ها، گذار به انرژی‌های تجدیدپذیر باعث بحران بزرگ انرژی نمی‌شود. در درازمدت، بهبود در تولید و کارایی ممکن است وضعیت را حتی بیشتر بهبود بخشد. اما بیشتر مسیر‌ها برای مدیریت تغییرات آب‌وهوایی شامل ساختن بیش از حد منابع مولد و جفت کردن آن‌ها با ذخیره‌سازی است که می‌تواند به انرژی‌های تجدیدپذیر اجازه دهد حتی زمانی که فعالانه تولید نمی‌کنند، برق را تامین کنند. این امر همچنین لزوماً منجر به کاهش تولید تجدیدپذیر تحت برخی شرایط می‌شود و EROI این منابع تجدیدپذیر را کاهش می‌دهد.

سناریو‌های کربن‌زدایی

برای بررسی این کاهش، محققان سناریو‌های کربن‌زدایی برنامه‌ریزی‌شده توسط کشور‌های مختلف را مانند فرانسه، بریتانیا و ایالات متحده بررسی می‌کنند. حتی زمانی که تناوب، محدودسازی و ذخیره‌سازی در نظر گرفته می‌شود، باد به خوبی جلوتر از جایگزین‌های فسیلی ظاهر می‌شود. در مقابل، برخی برآورد‌ها از انرژی خورشیدی کمتر از EROI نهایی موردنیاز برای رقابت با زغال سنگ و گاز طبیعی است. با این حال، تفاوت‌ها چشمگیر نیست و تخمین‌های زیادی برای انرژی خورشیدی وجود دارد که عملکرد بهتری از این سوخت‌های فسیلی دارند.

محققان بر این باورند که با پذیرش فناوری جدید، همه‌چیز می‌تواند تغییر کند. در حال حاضر، بیشتر گرمایش الکتریکی با ارسال الکترون‌ها از طریق یک سیم‌پیچ مقاومتی انجام می‌شود که در مقایسه با سوزاندن سوخت‌های فسیلی نسبتاً ناکارآمد است. در مقابل، پمپ‌های حرارتی الکترون‌ها را با کارایی بیشتری نسبت به سوزاندن چیز‌ها به اختلاف دما تبدیل می‌کنند که به انرژی تجدیدپذیر اجازه می‌دهد برای این مورداستفاده رقابتی‌تر شود.

با این حال، حتی در بازار فعلی، تجزیه‌وتحلیل قویاً نشان می‌دهد که از نظر انرژی، منابع تجدیدپذیر انرژی بیشتری به ازای هر واحد انرژی مصرف‌شده برای تولید آن‌ها نسبت به سوخت‌های فسیلی تولید می‌کنند.

توجه به این نکته مهم است که این تحلیل فقط هزینه‌های شکل‌های مختلف انرژی را در نظر می‌گیرد و فاکتور‌هایی مانند هزینه‌های مالی یا هزینه‌های بهداشتی استفاده مداوم از سوخت‌های فسیلی را در نظر نمی‌گیرد. بنابراین، در حالی که زغال سنگ با این معیار بهره‌وری انرژی رقابتی است، از نظر اقتصادی به طرز وحشتناکی عمل می‌کند و به دلیل بار آلودگی سنگینی که ایجاد می‌کند، با مقررات فزاینده‌ای مواجه است.

این مطالعه طوری طراحی نشده است که همه این عوامل را در نظر بگیرد و به ما بگوید کدام منبع انرژی بهترین است؛ بلکه به ما توضیح می‌دهد که آیا دور شدن از سوخت‌های فسیلی به دلایل دیگر باعث ایجاد بحران انرژی می‌شود یا خیر؛ که البته آمار در اینجا به وضوح نشان می‌دهد که این اتفاق نخواهد افتاد.

منبع: خبرآنلاین