Dematerializacja energetyki

Wiele osób zdaje się martwić, że transformacja energetyczna, czyli rekonstrukcja systemu energetycznego z bezemisyjnych źródeł energii, pochłonie za dużo surowców. Niektórzy martwią się o wiatraki i panele PV, inni o elektrownie jądrowe, a jeszcze inni martwią się generalnie, że w ogóle konsumujemy energię. Postanowiłem, że policzę "na odwrocie serwetki" na własny użytek, czy jest się czym przejmować.

Określenie zapotrzebowania na surowce dla poszczególnych źródeł energii jest problematyczne i należy pamiętać o kilku niuansach. Po pierwsze, postęp techniczny w ciągu ostatnich kilkunastu lat zdezaktualizował wiele wskaźników, zwłaszcza dotyczących PV i wiatraków. Jest więc duża szansa, że przekrojowe prace naukowe i raporty mogą zawierać stare dane. Po drugie, w obrębie danych technologii (np. PV) jest sporo niszowych implementacji (PV - CdTe, CIGS), co może zbytnio uwypuklać zapotrzebowanie na ich rzadkie substancje (ind, gal, tellur). Po trzecie, różnie bywa z przejrzystością raportowania materiałów przez posiadaczy technologii oraz producentów i nie ma ujednoliconych kryteriów. Niektórzy aktywiści też celowo dezinformują. Po czwarte, trudno uchwycić całość systemu od górnictwa po produkcję maszyn i paliwa. Po piąte, masa substancji jest kiepskim wskaźnikiem wpływu na środowisko, np. tona ołowiu vs tona żwiru mogą wyrządzić diametralnie inną szkodę.

Dobrym punktem startowym być może jest wydany w 2021 r. przez IEA przekrojowy raport o niezbędnych surowcach potrzebnych w transformacji energetycznej. Cytowane są w nim uprzednie, bardziej szczegółowe opracowania JRC i NREL nt. źródeł elektryczności, których użyłem do skonstruowania poniższej tabeli: wiatraki i PV - Carrara et al. (2020), atom - Moss et al. (2011), węgiel - Spath et al. (1999), gaz ziemny - Spath & Mann (2000). Kilka wartości dobrałem też z Wang et al. (2022). Na czerwono zacieniłem wartości wpisane do tabeli bez podania źródeł, które chyba nie okażą się zbyt kontrowersyjne. Aspirowałem do tego, żeby tabela zawierała wartości średnie. Mam nadzieję, że wybaczysz mi, Czytelniku, brak statystyk. Traktuję poniższą tabelę jako wersję 1.0, ale konkluzje z niej płynące wiele nie powinny się zmienić w miarę harmonizacji i uaktualniania danych.

Tabela: Intensywność materiałowa mocy zainstalowanej [t/GW] (górna część) i elektryczności [t/TWh] (dolna część) dla wybranych źródeł energii. Dla wiatraków i paneli wybrałem technologie, które obejmą sumarycznie 90% rynku do 2050 r. wg. Carrara et al. (2020). Zacienienie odpowiada źródłom danych: Carrara et al. (2020), Spath et al. (1999), Spath & Mann (2000), Wang et al. (2022), Moss et al. (2011), szacunki własne.

Wykres: Intensywność materiałowa [t/TWh] wybranych źródeł elektryczności zależnie od współczynnika wykorzystania mocy. Energia jądrowa potrzebuje tak mało paliwa i metali, że nie widać tego na wykresie.

Najważniejszą konkluzją z powyższej tabeli i wykresu jest fakt, że panele, wiatraki i reaktory biją na głowę węgiel i gaz - ich materiałochłonność jest mniejsza o ok. 10-100x. Transformacja energetyczna do tych niskoemisyjnych źródeł będzie oznaczać dematerializację elektroenergetyki nawet przy znaczącym wzroście zapotrzebowania na elektryczność. To debunkuje argumenty (1) dewzrostowców, że wzrost produkcji energii musi prowadzić do wzrostu konsumpcji materiałów, (2) węglowych opóźniaczy atakujących panele i wiatraki, że niby konsumują dużo materiałów oraz (3) antyatomowców walczących z elektrowniami jądrowymi za ich beton, stal i wydobycie uranu. 

Elektrownie gazowe i węglowe są mniej materiałochłonne od bezemisyjnych instalacji, ale ilość paliw kopalnych w nich spalanych jest olbrzymia i tu przegrywają z kretesem. Co ciekawe, energetyka jądrowa jest bardziej podobna do wiatraków i paneli niż do konwencjonalnych elektrowni, bo ilość paliwa jądrowego, którego używają zgodnie z równaniem E=mc², jest znikoma. Mimo że reaktory potrzebują więcej materiałów od wiatraków i paneli, to energia jądrowa jest na ogół nieco mniej materiałochłonna, co wynika z długiej żywotności reaktorów i wysokiego współczynnika wykorzystania mocy. Te zyski mogą być jednak zrealizowane tylko wtedy, jeśli nie są one zamykane przedwcześnie. Warto zauważyć, jak ślad materiałowy paneli i wiatraków jest dużo bardziej zależny od współczynnika wykorzystania mocy, czyli jakości zasobów słoneczno-wietrznych.

Tonaż farm wiatraków, farm paneli i reaktorów jest zdominowany przez beton i stal, które spełniają głównie role elementów strukturalnych. Można zatem spojrzeć na odejście od paliw kopalnych jako zastąpienie ich tymi właśnie materiałami, do których przytwierdzamy niewielkie urządzenia wytwarzające elektryczność. Produkcja betonu, stali i pozostałych metali ma swój ślad węglowy i środowiskowy, ale jest on znacząco mniejszy od bezpośredniego spalania paliw kopalnych. Wang et al. (2022) obliczyli, że scenariusze 1.5°C (66%) rozbudowy infrastruktury elektroenergetycznej w latach 2020-2050 wygenerowałyby pośrednio 4-29 Gt CO₂eq. Nie jest to zaniedbywalna wartość, ale stanowi mały ułamek naszego budżetu węglowego 1-9% z 320 Gt CO₂eq.

Nie chcę bagatelizować wpływu górnictwa materiałów na potrzeby produkcji maszyn bezemisyjnych źródeł, bo będziemy tu potrzebować więcej ekstrakcji metali i pierwiastków ziem rzadkich oraz kilku sporych innowacji materiałowych i rozwoju recyklingu. Niemniej, między paliwami kopalnymi a wiatrakami, panelami i reaktorami jest już teraz tak potężna ilościowa i jakościowa różnica w materiałochłonności, że trudno grillowanie tego tematu - na prawicy i lewicy - uznać za pożyteczne. Należy zabrać się za budowanie.

Cytowana literatura

Carrara, S., Alves Dias, P., Plazzotta, B., & Pavel, C. (2020). Raw materials demand for wind and solar PV technologies in the transition towards a decarbonised energy system. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 68. [Link]

IEA (2021). The role of critical minerals in clean energy transitions. world energy outlook special report. [Link]

Moss, R. L., Tzimas, E., Kara, H., Willis, P., & Kooroshy, J. (2011). Critical metals in strategic energy technologies. Assessing Rare Metals as Supply-Chain Bottlenecks in Low-Carbon Energy Technologies, JRC Scientific and Technical Reports, EUR, 24884. [Link]

Spath, P. L., & Mann, M. K. (2000). Life cycle assessment of a natural gas combined cycle power generation system (No. NREL/TP-570-27715). National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States). [Link]

Spath, P. L., Mann, M. K., & Kerr, D. R. (1999). Life cycle assessment of coal-fired power production (No. NREL/TP-570-25119). National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States). [Link]

Wang, S. et al. (2022). Materials demand for electricity in climate mitigation scenarios. [Link]