Πτήση χωρίς ορυκτά καύσιμα: Η ανάγκη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας

Πέρυσι μια τολμηρή ομάδα από την Ελβετία κατάφερε να πετάξει στις ΗΠΑ με ένα αεροπλάνο που χρησιμοποιούσε ηλιακή ενέργεια. Το κατόρθωμα, που χρειάστηκε δύο μήνες, περιγράφηκε ως ένα παράδειγμα για τις δυνατότητες της ηλιακής ενέργειας και αυτό αποτελεί μια αντιστροφή της πραγματικότητας. Είναι ένα παράδειγμα για το αντίθετο.

Μπορούν οι εμπορικές πτήσεις να τροφοδοτηθούν από τα φωτοβολταϊκά; Η προφανής απάντηση είναι όχι και όποιος μηχανικός λέει ναι, μάλλον θα χάσει τη δουλειά του. Το γιατί ισχύει αυτό φανερώνει τις πολλαπλές προκλήσεις που χαρακτηρίζουν την στροφή προς τις ΑΠΕ, η οποία επί της ουσίας είναι μια μετάβαση από τα καύσιμα υψηλής ενεργειακής έντασης σε αποκεντρωμένες ενεργειακές πηγές.

Γιατί λοιπόν, δεν μπορεί ένα Boeing 747 να τροφοδοτηθεί από φωτοβολταϊκά; Θα συγκρίνω την ενεργειακή κατανάλωση ενός 747 με την τροφοδοσία ενός ηλιακού αεροπλάνου. Ο υπολογισμός αυτός θα μας πει όσα πρέπει να ξέρουμε για την ηλιακή πτήση.

Όταν πετάει, το 747 καταναλώνει 4 λίτρα καυσίμου ανά δευτερόλεπτο. Δεδομένης της ενεργειακής περιεκτικότητας του αεροπορικού καυσίμου, η οποία είναι 35 MJ/λίτρο, το 747 καταναλώνει ενέργεια με ρυθμό περίπου 140 MW.

Μπορούμε να μετατρέψουμε αυτό το ρυθμό κατανάλωσης σε πυκνότητα ενέργειας, δηλαδή την ενεργειακή κατανάλωση ανά τετραγωνικό μέτρο. Συνήθως, αυτό μετριέται σε watt ανά τετραγωνικό μέτρο. Το 747 έχει έκταση 70 επί 65 μέτρα, άρα η ενεργειακή πυκνότητα είναι περίπου 30.000 W/τ.μ. και φυσικά η πυκνότητα σε όλη την διαθέσιμη επιφάνεια του αεροσκάφους θα είναι μεγαλύτερη, πάνω από 100.000 W/τ.μ.

Τι μπορεί να κάνει η ηλιακή ενέργεια; Τα φωτοβολταϊκά μετατρέπουν την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρισμό και η μέση τροφοδοσία του ηλίου δεν ξεπερνά τα 300 W/τ.μ. στον πλανήτη. Το μεσημέρι θα είναι 4-5 φορές υψηλότερη από το μέσο όρο, αλλά τα φωτοβολταϊκά είναι αποδοτικά μόνο κατά το 20%. Οπότε αν βάλουμε φωτοβολταϊκά στην οροφή ενός 747 δεν θα μπορέσουν να καλύψουν ούτε το 1% της ενεργειακής κατανάλωσης του αεροπλάνου. Στην καλύτερη περίπτωση θα προσφέρουν ενέργεια για να βλέπουν ταινίες οι επιβάτες στην οθόνη τους.

Ας συγκρίνουμε όμως την ενεργειακή ένταση ενός 747 με αυτή ενός αιολικού πάρκου. Έχουμε 140 MW. Πόσο μεγάλο πρέπει να είναι ένα αιολικό πάρκο για να παράγει τόσο ηλεκτρισμό κατά μέσο όρο; Μάλλον μεγαλύτερο από το μεγαλύτερο αιολικό πάρκο που λειτουργεί στην Ευρώπη αυτή τη στιγμή.

Το πάρκο Whitelee κοντά στη Γλασκώβη της Σκωτίας αποτελείται από 140 ανεμογεννήτριες σε μια έκταση 55 τ.χμ. Έχει ονομαστική ισχύ 322 MW και δεδομένης μιας μέσης παραγωγής 23% η μέση ισχύς του είναι 75 MW, δηλαδή η μισή από την κατανάλωση ενός 747. (Φυσικά, η χημική και η ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι απολύτως συγκρίσιμες, αλλά προσπαθώ να δείξω εδώ ότι υπάρχει μια τεράστια απόκλιση στις ενεργειακές πυκνότητες της καθεμίας).

Το προφανές δίδαγμα είναι ότι τα ορυκτά καύσιμα μπορούν να προσφέρουν ενεργειακές πυκνότητες πολύ πολύ υψηλότερες από τα αιολικά και τα φωτοβολταϊκά. Τα κινητά μέσα ενεργειακής κατανάλωσης, όπως το 747, απαιτούν ενεργειακή πυκνότητα σε ένα επίπδο που είναι φυσικώς αδύνατο να λάβουν άμεσα από τα αιολικά και τα φωτοβολταϊκά.

 

Τα όρια των μπαταριών

Ίσως, όμως, θα μπορούσαμε να αποθηκεύσουμε την πράσινη ενέργεια σε μπαταρίες και να τις χρησιμοποιήσουμε στα αεροπλάνα. Στην περίπτωση αυτή μεταφερόμαστε από το πρόβλημα της χαμηλής πυκνότητας του ηλεκτρισμού στο πρόβλημα της χαμηλής ενεργειακής πυκνότητας. Παρά τις τεχνολογικές καινοτομίες 100 ετών, οι μπαταρίες συνεχίζουν να προσφέρουν πολύ χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα.

Αν δούμε τις μπαταρίες λιθίου που τροφοδοτούν το πολυτελές ηλεκτρικό μοντέλο Tesla S, προσφέρουν λίγο περισσότερο από 130 Wh/κιλό σύμφωνα με την Tesla. Οπότε σε συμβατικούς επιστημονικούς όρους παρέχουν μια ενεργειακή πυκνότητα μικρότερη από 0,5 Mj/κιλό. Αντιθέτως, τα αεροπορικά καύσιμα προσφέρουν 40 Mj/κιλό. Υπάρχει μια τεράστια διαφορά.

Ένα γεμάτο Boeing 747 ζυγίζει περίπου 400 τόνους στην απογείωση, με 200 τόνους καυσίμου. Οι μπαταρίες λιθίου που θα αποθήκευαν την απαιτούμενη ενέργεια θα ζύγιζαν όσο 50 Boeing 747.

Οι μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου ίσως να καταφέρουν κάποια μέρα να φτάσουν τα 4 Mj/κιλό, που και πάλι είναι 10 φορές λιγότερη από το αεροπορικό καύσιμο, σύμφωνα με πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature. Οπότε εκεί βρισκόμαστε με τις μπαταρίες: Σε μερικές δεκαετίες θα μπορούσαν να προσφέρουν το 10% σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα. Προφανώς η ηλιακή ενέργεια και οι μπαταρίες έχουν τα όριά τους.

Οι περιορισμένες πράσινες επιλογές της αεροπορίας

Για να το θέσουμε απλά, το να πετάξει ένα 747 χρειάζεται την χρήση ενεργειακά πυκνών καυσίμων. Αυτό δε μπορεί να γίνει ούτε άμεσα με ηλεκτρισμό από ΑΠΕ, ούτε με την αποθήκευσή του σε μπαταρίες. Η πυρηνική ενέργεια είναι σε θέση να προσφέρει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, αλλά προσπαθήστε να βάλετε εκατοντάδες επιβάτες να πετάξουν μαζί με έναν πυρηνικό αντιδραστήρα.

Φαίνεται πως υπάρχουν μόνο δύο σχετικά ρεαλιστικές λύσεις χαμηλών εκπομπών. Η πρώτη είναι η χρήση βιοκαυσίμων. Η δεύτερη είναι η χρήση πράσινου ηλεκτρισμού για την παραγωγή συνθετικών υδρογονανθράκων. Καμία από αυτές τις λύσεις δεν είναι ιδιαίτερα υποσχόμενη.

Η ομοφωνία που έχει διαμορφωθεί πλέον λέει ότι τα βιοκαύσιμα παρέχουν μικρά οφέλη στην οικονομία και το περιβάλλον. Έχουμε μετατρέψει μεγάλες καλλιεργήσιμες εκτάσεις σε καλλιέργειες ενεργειακών φυτών μόνο και μόνο για να χρησιμοποιούμε ένα καύσιμο το οποίο οι έρευνες λένε ότι τελικά δεν μειώνει τις εκπομπές. Από περιβαλλοντική και ανθρωπιστική σκοπιά, αυτό δεν είναι βιώσιμο.

Λίγοι συνειδητοποιούν πόσο βλαβερά είναι για τη χρήση γης τα βιοκαύσιμα. Σκεφτείτε το εξής: Το 6% της Γερμανίας χρησιμοποιείται για την παραγωγή βιοκαυσίμων, αλλά καλύπτουν μονάχα το 1% της ενεργειακής της κατανάλωσης. Μπορείτε να φανταστείτε μια λιγότερο αποδοτική χρήση γης; Τα βιοκαύσιμα επόμενης γενιάς παρέχουν μια από τα ίδια. Το θεμελιώδες πρόβλημα της χαμηλής ενεργειακής πυκνότητας στη βιοενέργεια δεν θα ξεπεραστεί σύντομα.

Η μόνη προοπτική για παραγωγή βιοκαυσίμων που πράγματι έχουν χαμηλούς ρύπους και δεν απαιτούν μεγάλες εκτάσεις είναι η συνθετική βιλογία και η γενετική μηχανική ώστε να δημιουργήσουμε φυτά τα οποία είναι πιο αποδοτικά στη φωτοσύνθεση. Όμως, τα μέχρι τώρα αποτελέσματα των ερευνών του Craig Venter μας λένε ότι θα χρειαστούν γενιές ολόκληρες γενετιστών για να συμβεί αυτό.

Τα ανανεώσιμα συνθετικά καύσιμα απέχουν πολλές δεκαετίες από την οικονομική πραγματικότητα, αν αυτό συμβεί καν. Στην ουσία, η ιδέα είναι ότι χρησιμοποιείς το ρεύμα από τις ΑΠΕ (ή αν προτιμάς, τα πυρηνικά) για να μετατρέψεις το διοξείδιο του άνθρακα σε καύσιμο, όπως το μεθάνιο ή η μεθανόλη.

Για να είναι όμως η διαδικασία οικονομική, πρέπει να ξεπεραστούν πολλά προβλήματα. Πρώτα, χρειάζεται ένας τρόπος για την απορρόφηση του διοξειδίου του άνθρακα από τον αέρα σε μια κλίμακα δισεκατομμυρίων τόνων. Αυτό προφανώς δεν θα συμβεί αύριο. Το κόστος του καύσίμου εκτιμάται ότι θα είναι 2,5 φορές υψηλότερο από το κόστος του πράσινου ηλεκτρισμού λόγω της αποδοτικότητας της διαδικασίας μετατροπής. Με άλλα λόγια, θα πληρώνεις για μια κιλοβατώρα ΑΠΕ και θα παίρνεις λιγότερο από μισή σε καύσιμο. Τα εμπόδια αυτά θα είναι πολύ δύσκολο να ξεπεραστούν και πιθανότατα θα χρειαστεί μια ραγδαία πτώση του κόστους του πράσινου ηλεκτρισμού ή μια αύξηση της τιμής του πετρελαίου.

Τα ανανεώσιμα καύσιμα δεν μοιάζουν να είναι πολύ υποσχόμενα σε βάθος μιας ή και δύο γενεών ως αντικατάστατο για τα αεροπορικά καύσιμα. Αυτό δεν σταμάτησε την γερμανική υπηρεσία περιβάλλοντος από το να προωθήσει πρόσφατα ένα σενάριο στο οποίο η χώρα θα απομακρυνθεί εντελώς από τα ορυκτά καύσιμα ως το 2050 και θα στηριχθεί στα ανανεώσιμα καύσιμα. Πόσο θα στηριχθεί; Η Γερμανία φιλοδοξεί να αντλεί 200 εκατ. τόνους CO₂ από τον αέρα ως το 2050 στα πλαίσια αυτού του «τεχνικά εφικτού» μέλλοντος.

Καταλαβαίνω ότι όλα αυτά είναι κάπως απαισιόδοξα, αλλά τα πράγματα έτσι είναι. Οπότε θα κλείσω με μια πρόβλεψη: Η αεροπορία θα συνεχίσει να τροφοδοτείται από τα ορυκτά καύσιμα στα μέσα του αιώνα, αλλά ελπίζω ότι κάποιος θα με διαψεύσει.

- Ο Ρόμπερτ Ουίλσον είναι διδακτορικός φοιτητής του Πανεπιστημίου Strathclyde στη Μαθηματική Οικολογία

(theenergycollective.com)

 

http://www.energypress.gr/news/Pthsh-hwris-orykta-kaysima:-H-anagkh-ypshlhs-energeiakhs-pyknothtas