Job Corps

Esta es la primera columna en la serie de la Energía de Transición por Robert Wilson. Esta serie, exclusivo de, tomará una mirada crítica a las perspectivas de una transición de los combustibles fósiles, y se compromete a cumplir con el consejo de Richard Feynman que la realidad debe prevalecer sobre las relaciones públicas.

El siglo XXI es casi seguro que presenciar una transición a una población humana urbana abrumadora, y es de esperar una transición a un sistema energético bajo en carbono. El primero, sin embargo tendrá un impacto significativo en el último, porque una especie fundamentalmente urbanas no pueden ser alimentados a nivel local.

El continuaron, y esencialmente sin cesar, la acumulación de dióxido de carbono en la atmósfera puede a veces hacen consideraciones de los requisitos de un sistema de-carbonizar la energía parecer un tanto indulgente, pero debo pedir al lector que me complazca, y en un poco de longitud.

¿Cómo sería un sistema de energía de bajo carbono parece? (Y Evitemos ideas tan extravagantes como "cero carbono", porque eso sería verdaderamente auto indulgente.) En esencia que se pueden conseguir tanta electricidad como sea posible de alguna combinación de las energías renovables y la energía nuclear, y la electrificación de tantos aspectos de nuestros sistemas de energía como es factible. La predicción de la composición relativa de un sistema de este tipo es en gran medida un ejercicio infructuoso. Sin embargo, podemos decir algo sobre el grado en que un sistema de baja emisión de carbono será distribuido y "local". Esta confianza viene de la diferencia entre la alta concentración física del uso de energía en las ciudades, y la concentración física relativamente baja de los recursos energéticos renovables.

Densidad de poder

Hay límites físicos fundamentales a la cantidad de energía que podemos extraer de los recursos renovables para un área determinada de tierra. Si queremos cuantificar rigurosamente este calculamos de una fuente de energía en vatios por metro cuadrado (W / m2).

Para conseguir una comprensión de este concepto debe tener en cuenta el parque eólico recientemente abierto al sur de England.This es el parque eólico marino más grande del mundo y de acuerdo con sus propietarios va a generar "energía suficiente para alimentar a cerca de medio millón de hogares." Su capacidad total es 630 MW con una superficie total de 100 km2, y es. En otras palabras, la densidad de potencia de la matriz de Londres será 2,5 W / m2. Este número también es muy similar a la media de los parques eólicos existentes del Reino Unido. El Reino Unido es más viento que una gran parte del mundo, y que los grandes parques eólicos de extracción reducirá la densidad de potencia promedio cercano a 1 W / m2, por lo que 2-3 W / m2 puede ser visto como un límite superior en la densidad de potencia de gran escala de la energía eólica. Esta densidad de potencia de salida media refleja, sin embargo la densidad de potencia pico de parques eólicos será quizás tres veces mayor, y la densidad de potencia mínima será cercano a cero. Y hay que señalar que excluye los requisitos para la fabricación de acero necesaria para torres de turbina y la extracción decombustibles fósiles para la conversión a los plásticos para palas de aerogeneradores. Sin embargo la inclusión de estos factores no es probable que resulte en una reducción significativa de las estimaciones de la densidad de potencia.

A nivel mundial la radiación solar disponible para su conversión en electricidad promedios de 170 W / m2, y en lugares más soleados se puede llegar por encima de 200 W / m2. Esta energía solar sin embargo actualmente no se convierte en cualquier lugar cerca de una eficiencia del 100%. Los paneles fotovoltaicos solares comerciales por lo general un promedio de entre 10 y eficiencia del 15%. La densidad de potencia de las instalaciones solares también debe dar cuenta de espacio entre los paneles, ya sea para el mantenimiento de parques solares o para el espaciamiento entre las casas en la instalación solar en el techo. Como resultado, la más alta densidad de potencia alcanzada es de alrededor de 20 W / m2 en el desierto parques fotovoltaicos, mientras que parques solares en Alemania generalmente alcanzan 5 W / m2. Las futuras mejoras en la producción de paneles con suerte verán mejoras significativas en la eficiencia del panel. Sin embargo, habrá siendo un límite superior físico firma de 200 W / m2, que será significativamente menor si se consideran únicamente el despliegue a gran escala de la energía solar en la azotea residencial, debido a las restricciones físicas obvias sobre la colocación del panel.

En su mejor momento . Sin embargo densidades de potencia de 0,5 y por debajo son más típicas, con ejemplos destacados de esta etanol de maíz es para el transporte y la leña para la electricidad. Veremos más adelante que esta es una consideración muy importante para la escalabilidad y la sostenibilidad de los biocombustibles.

En contraste típico de la generación de combustibles fósiles y la electricidad nuclear tiene una densidad de potencia de al menos un orden de magnitud mayor que el de las energías renovables. Las densidades de potencia están cómodamente por encima de 100 W / m2 después de la contabilidad para la minería, etc. Y las centrales convencionales a menudo tienen densites potencia superior a 1000 W / m2. Un ejemplo simple de esta mayor densidad de potencia es, proporcionando más de 1000 W / m2. Esto es muy por encima de la densidad de potencia de cualquier nuevo método concebible de generación de energía renovable.

Un experimento simple puede demostrar por qué la densidad de potencia debe ser una consideración fundamental en la evaluación de las energías renovables. Aquí está: Imagínese un mundo donde toda la energía proviene de la bioenergía. ¿Cuáles serían los requisitos?

Actualmente el planeta consume energía a un ritmo de más de 16 TW (16 billones de vatios). Si incluimos la energía de biomasa no comercial utilizado en África y Asia, una cifra incierta, este número se incrementaría. Sin embargo, para simplificar voy a ignorar las fuentes no comerciales y completará nuestra cifra a 15 TW. Si tenemos toda la energía a partir de etanol de maíz nos lo necesario para convertir un total de 75 millones de km2 de plantaciones de etanol de maíz. Esto es aproximadamente la mitad de la superficie terrestre del planeta entero, la tierra que es somehat escasos. Así que este sencillo experimento mental muestra que hay límites muy reales en la cantidad de energía que podemos, y debemos, obtener de biocombustibles. Si queremos que los biocombustibles a gran escala para ser verdaderamente sostenible, una perspectiva cuestionable, que tendrá que ver mejoras significativas en su densidad de potencia, tal vez las mejoras de al menos un orden de magnitud.

concentración física del consumo de energía

¿Cuánta energía consumimos por unidad de tierra? Para facilitar la comparación de nuevo esta figura se puede calcular en W / m2. A nivel mundial, esta es de 0,1 W / m2, si sólo tenemos en cuenta el área de la superficie terrestre. promedios globales sin embargo, no son muy instructivas, densidad de potencia promedio en la escala de los países y las ciudades es mucho más importante. David MacKay ha visualizado este mucho mejor que yo en su continuación, puede ver la velocidad media a la que los países consumen energía, en W / m2, en comparación con la densidad de potencia de las diferentes energías renovables: Lo ideal sería que un país quiere tener una gran cantidad de tierra disponible para la energía renovable , es decir, que quieren estar en la parte inferior izquierda de este gráfico. Al estar en la parte superior derecha, sin embargo puede dar lugar a algunos problemas.

Consideremos en primer lugar el Reino Unido y Alemania. Tanto el uso de energía a un ritmo de poco más de 1 W / m2. Por lo que una parte posterior de la envolvente de cálculo le dirá que conseguir todas sus necesidades de energía de la energía eólica terrestre requerirá que cubre la mitad de la del Reino Unido o Alemania en las turbinas de viento. Si alguna vez ha sido confundido por qué estos países están construyendo parques eólicos en el Mar del Norte, en lugar de en la tierra donde es mucho más barato, ya sabes por qué. baja densidad de potencia de energía eólica significa que necesita para poner en un montón de patios traseros. Y no hay tantos de ellos en el Mar del Norte.

Las cosas están aún peor en Japón y Corea del Sur. Si usted cubierto toda Corea del Sur en las turbinas de viento que generarían menos de energía que se consume allí. Japón tiene un problema similar. Y esto pasa por alto otra dificultad: los árboles. Tanto Japón (68%) y Corea del Sur (63%) tienen una cubierta forestal muy alto. Si hacemos caso de las tierras forestales (que debe estar fuera de límites para la generación de energía renovable a gran escala, a menos que las plantaciones de biomasa a gran escala se consideran aceptables) de energía se utiliza con una densidad de potencia de casi 6 W / m2 en Japón y 7,5 W / m2 en el sur Corea. Este cálculo deja claro que estos países sólo pueden ser predominantemente alimentados por energías renovables a través de la utilización a gran escala de la energía solar densa más potencia. Y las restricciones sociales y políticas pueden significar esto sólo puede ocurrir si la eficiencia de los paneles solares típicos aumenta significativamente de su actual 10-15%.

Local de la Energía no es una solución

y defensores de la energía renovable tienen una preferencia ideológica de energía a pequeña escala y la comunidad renovable. Sin embargo lo que si su comunidad tiene el siguiente aspecto: Horizonte de Tokio

Algunas personas les gusta la idea de correr Tokio el local de energías renovables. Tendrán alguna dificultad hacerlo realmente, y eso es decir poco.

Desde el año 2008 la mayoría de la humanidad vive en ciudades. Y en 2050 es probable que veremos de la humanidad vive en ciudades. El reto principal de energía este siglo será el suministro de energía para estas ciudades, y la energía distribuida con bastante claridad locales no es una solución. Para ver por qué este es el caso requiere desenredar algunos problemas.

Estas son algunas consideraciones. Un estadounidense promedio del Norte tiene un consumo de energía anual de poco más de 7 toneladas de petróleo equivalente ()., Que es el equivalente a una tasa de 9.000 vatios. Sin embargo, esto es casi el doble de lo que es en países como Alemania, Francia y Japón. en términos de bienestar clave medidas hace una cosa clara: no hay evidencia de que los norteamericanos tienen un mayor bienestar como resultado de su uso excesivo de energía. Los estadounidenses no viven más tiempo, no son más sanos, o mejor educados que los países que consumen la mitad de energía per cápita. Que este consumo de energía per cápita alto viene con un coste muy significativo del medio ambiente - las emisiones globales de dióxido de carbono se reduciría en casi un 10% si los norteamericanos consumen como los europeos - pero poca ganancia en términos de bienestar humano, sugiere que es no es deseable para el otro países emulen los patrones de consumo de América del Norte.

Otra prueba de la conveniencia de limitar, y probablemente reducir el consumo de energía per cápita en los países modernizados está dada por su evolución en las últimas décadas. En lugar de aumentar en el largo plazo, el consumo de energía per cápita que ahora parece haber alcanzado su máximo en casi todos los países modernizados. Aquí hay unos ejemplos:

El consumo per cápita ha disminuido de manera constante en el Reino Unido durante la última década y ahora está en su punto más bajo durante más de cuatro décadas:

Los Estados Unidos vio pico de consumo per cápita en la década de 1970, con un consumo ahora viendo una aparente disminución. Y el hecho de que el consumo per cápita no aumentó en la era de la Hummer sugiere un amplio margen de movimiento.

Alemania también está viendo disminuciones en el consumo per cápita.

En Japón el consumo per cápita parece haber alcanzado su punto máximo a finales de los años noventa y ahora está en declive:

Un bloque típico en Manhattan consume energía a un ritmo de más de 1.000 kWh por metro cuadrado al año, una densidad de potencia de más de 100 W / m2. Esto es casi dos órdenes de magnitud mayor que la densidad de potencia de la energía eólica, y es obvio que no podía yeso Manhattan en las turbinas eólicas. La energía solar no es mucho mejor. Imaginamos que podríamos cubrir el 20% de Manhattan en paneles solares. Esto nos daría no es mejor que 5 W / m2. Es evidente que Manhattan no está recibiendo su energía a nivel local. Y como se puede ver en el mapa encima de los otros distritos de Nueva York no van a irles mucho mejor.

¿Qué tal el resto de América del Norte? Si reducimos el consumo de energía per cápita a niveles japoneses, una idea sensata, pero impopular, podrían ejecutar muchas ciudades de Estados Unidos en gran medida de las energías renovables locales? El siguiente gráfico muestra la densidad de población frente a la densidad de energía en el uso de este menor consumo Latina:

Phoenix baja densidad tal vez tiene una oportunidad de conseguir la mayor parte de su energía a partir de energía solar. Cubriendo el 25% de Phoenix en paneles solares podría producir tanta energía como se consume en Phoenix. El carácter práctico de esto es, por supuesto, bastante cuestionable, y conseguir más del 50% de la energía solar local de Phoenix requerirá algo que actualmente no existe: una forma barata de almacenar energía a gran escala. Un sistema que implica más de un 50% de la energía procedente de energía solar requerirá por lo tanto, inevitablemente, la contabilidad de las necesidades de tierra para el almacenamiento a gran escala, una perspectiva incierta, y pérdidas significativas de producción de paneles solares debido a las pérdidas de eficiencia durante el almacenamiento y reducción del exceso.

Las perspectivas de las ciudades norteamericanas que funcionan en gran medida de las energías renovables locales parece poco probable por lo tanto, y el 83% de los estadounidenses viven en ciudades.

Una valoración global de

doscientos áreas urbanas más grandes del mundo son el hogar de más de 1,2 millones de personas, y una cuarta parte de estas áreas están más densamente poblados de Nueva York (10.000 personas por kilómetro cuadrado). Esto se muestra a continuación: