چالش تِراواتی: آینده توسعه جهانی انرژی بخش دوم
چالش تِراواتی
برای رسیدن به اهداف خود در عرصه انرژی باید «نفت جدید» را بیابیم. بنیادی برای توسعه انرژی در قرن بیست و یکم همانطور که نفت و گاز برای قرن بیستم بودند. ابعاد بزرگ صنعت انرژی انجام این وظیفه را مشکل می‌سازد.
مطالعه عمیق این مسئله و استفاده از موفقیت‌های علمی امروز لازمه رسیدن به منابع انرژی نو است. در سال ۲۰۰۴ جهان به طور متوسط معادل ۲۲۰ میلیون بشکه نفت در روز مصرف کرد. اگر ما این مقدار انرژی را به الکتریسیته تبدیل کنیم می‌توان گفت جهان برای سرپانگه‌داشتن خود۵ /۱۴ تِراوات انرژی مصرف کرد (یعنی ۵ /۱۴ هزار‌میلیارد ژول در ثانیه).
یشتر این انرژی از نفت و گاز و زغال سنگ تامین شده است و البته شکافت هسته‌ای و زیست سوخت نیز بازیگران مهمی بوده‌اند. زیست سوخت، منبع انرژی نیمه پایینی نردبان اقتصادی جهان – حدود سه میلیارد نفر- بود. بخش زیادی از این سوخت از گیاهان سوخته شده غیر قابل مصرف و مدفوع گاو است، وقتی که انرژی جدید در دسترس و مقرون به صرفه نباشد. مقدار اندکی از این ۵ / ۱۴ تِراوات را هیدروالکتریک تشکیل می‌دهد اما هم اکنون هر آنچه ممکن بوده از آن بهره برداری شده است. مقدار بسیار اندکی از این انرژی، چیزی حدود ٪۵ را انرژی خورشیدی، باد و زمین گرمایی تشکیل می‌دهد با بیشترین سهم متعلق به انرژی زمین گرمایی.
برای حل این بحران ما باید بتوانیم راهی برای تولید انرژی نه در حد مصرف کنونی بلکه چیزی دو برابر آن فراهم کنیم. با توجه به اینکه بسیاری از مردم جهان مقدار زیادی انرژی مصرف نمی‌کنند و هنوز منابع جدید انرژی زمان نیاز دارند تا گسترش یابند، بسیاری از مردم جهان هنوز به انرژی مدرن دسترسی نخواهند داشت.
برای بهره‌مندی همه ده میلیارد جمعیت جهان در آینده آنطور که مردم در کشور‌های توسعه یافته انرژی مصرف می‌کنند، یعنی چند کیلو‌وات‌ساعت به ازای هر نفر، باید به تولید ۶۰ تِراوات انرژی بپردازیم، معادل ۹۰۰ میلیون بشکه نفت. این مقدار انرژی را از کجا می‌توان تامین کرد؟
دست یافتن به این هدف دور از ذهن می‌نماید. با این حال ما باید توانایی دستیابی به تولید این مقدار انرژی را به صورت پایدار و کم هزینه کسب کنیم تا بتوانیم توسعه جهانی را رقم بزنیم. در جستجوی چنین منبع عظیمی که قادر به تحقق هدفمان باشد، بزرگترین منابع انرژی مان در جاهایی هستند که به سختی می‌توان از آنها انرژی گرفت، انرژی خورشیدی، باد و زمین گرمایی.
تغییر ترتیب منابع انرژی در آینده
در سال ۲۰۵۰، اگر این مشکل را حل کرده باشیم، جهت مصرف انرژی جهان عکس خواهد شد و منابعی که قبلا مهم بودند حالا دیگر نخواهند بود. نفت، هیدروالکتریک، زغال سنگ و گاز کمترین انرژی مورد نیاز جهان را تامین خواهند کرد.
بدون هیچ زحمتی، ما از ۱۶۵۰۰۰ تِراوات انرژی که در ثانیه و هر روز به سطح زمین برخورد می‌کند بهره می‌بریم. این رآکتور عظیم ۴ میلیارد سال است که در حال کار است و احتمالا تا چند میلیارد سال دیگر هم به فعالیت پایدار خود ادامه خواهد داد و در واقع می‌توان گفت ما زیر دوش انرژی خورشیدی هستیم.
گداخت و همجوشی هسته ای و زیست سوخت بازیگران موثرتری خواهند بود و انرژی خورشیدی، باد و زمین گرمایی بیشترین سهم را در تولید انرژی جهان خواهند داشت. این تغییر اساسی، انقلابی در بزرگترین سرمایه‌گذاری جهان ایجاد خواهد کرد. صنعتی که هم اکنون چیزی در حدود سه هزار میلیارد دلار در سال گردش مالی دارد. رسیدن به آنجا کار مشکلی است.
اگر همین امروز می‌دانستیم که چطور از ترکیب انرژی‌های موجود از جمله هم جوشی و گداخت و خورشیدی و باد استفاده کنیم این کار زمان بسیاری می‌طلبید و البته باید گفت ما امروز تکنولوژی ساخت یک رآکتور همجوشی هسته‌ای را نداریم که بتواند این مقدار انرژی (۶۰ تِراوات) تولید کند، چه برسد به یک نیروگاه خورشیدی یا زمین گرمایی. من معتقدم اگر نتوانیم راه ساخت چنین نیروگاهی را در یک یا دو دهه آینده پیدا کنیم، قرن بیست و یکم بسیار ناخوشایند خواهد بود.
یافتن جایگزین هایی برای نفت
ما برای یافتن انرژی‌های نو به کدام سمت می‌رویم؟ فهرستی از منابع موجود انرژی، قادر به تامین انرژی مورد نیاز ما نیستند. اما با این حال با صرفه‌جویی و افزایش بهره‌وری مصرف می‌توان به پیشرفت هایی رسید. در جهان توسعه یافته با یک میلیارد جمعیت بالایش (از نظر وضع اقتصادی) امکان صرفه‌جویی قابل توجهی در مصرف انرژی وجود دارد.
اما در کشور‌های توسعه نیافته صرفه‌جویی انرژی بی معنی است زیرا انرژی مصرفی آنها بسیار اندک است. حتی با بهره وری بالا باز هم ما به منابع بزرگ انرژی نیازمندیم. انرژی هیدروالکتریک همانطور که گفته شد از حداکثر پتانسیلش استفاده شده است.
زیست سوخت می‌تواند منبع عظیمی برای انرژی باشد اگر بهره‌برداری از آن منجر به بحران غذا و آب نشود. برای این کار ما باید در حالی که انرژی خود را از نفت و گاز می‌گیریم به سمت تولید انبوه دانه‌های انرژی، برای تولید فقط یک تِراوات انرژی بپردازیم. برای این کار نیاز به انقلابی در کشاورزی جهان است در حالی که ما در حال تقلا برای حفظ تولید کنونی غذا در جهان هستیم.
بحث‌های زیادی بر سر اقتصاد مبتنی بر هیدروژن وجود دارد. من معتقدم بر خلاف حسن‌های آن، پرداختن به آن موجب حواس‌پرتی نسبت به گزینه‌های واقعی و عملی برای حل نیازهای ما به انرژی شود.
هیدروژن یک منبع اساسی انرژی نیست. البته هیدروژن قابل ذخیره سازی و انتقال از جایی به جای دیگر است اما چندان گزینه مناسبی هم برای این کار نیست درحالی که الکتریسیته گزینه بهتری است. انتقال الکتریسیته راهی عالی برای انتقال انرژی از نقطه ای به نقطه دیگر است و حداقل در مقیاس‌های کوچک قابل ذخیره سازی.
در حال حاضر بزرگترین منابع انرژی نفت و گاز و زغال سنگ هستند. اگر ما تولیدمان را گسترش دهیم، برای مصرف پنج دهه آینده زغال سنگ کافی داریم ولی نمی‌توان به راحتی همه این زغال سنگ‌ها را مصرف کرد و فرض کرد که معضل دی‌اکسید کربن در حال از بین رفتن است یا قابل چشم‌پوشی است. تنها راه مقابله با این مسئله مهم جمع‌آوری و ضبط دی اکسید کربن است.
یافتن مکان هایی که به طرز ایمنی بتوان آن را ذخیره کرد. از آنجا که عمر متوسط دی اکسید کربن در جو بیش از صد سال است لازم است آنرا به گونه‌ای ذخیره کنیم که کمتر از ٪۱ آن از زمین فرار کند و برای این کار لازم است تجهیزات خاصی در نقاط مشخصی برای ذخیره مقدار کمی CO2ساخته شود.
اما اگر بخواهیم این مشکل را برای سیاره مان حل کنیم باید چنین تجهیزاتی در همه نقاط جهان ساخته شود و این اطمینان را داشته باشیم که قادر به ذخیره ده‌ها گیگا تُن کربن در سال است و این کار را سال به سال انجام دهیم. البته راه شناخته شده ای برای این کار نیست. درضمن ذخیره سازی کربن در زمین هیچ سودی ندارد و بیشتر شبیه آن است که پولی را برداریم و در سوراخی در زمین بیفکنیم. البته من هنوز منتظر طرحی برای اجبار به ذخیره کردن کربن هستم.
راه حل‌های خورشیدی
من معتقد نیستم که مسئله انرژی ما با سوزاندن سوخت‌های فسیلی حل شود. هنوز این سوخت‌ها اولین منبع انرژی ما و تنها گزینه‌ای‌اند که می‌دانیم برای پیشرفت اقتصادی چگونه باید از آن استفاده کنیم. منابعی که به طور واقعی می‌توانند به نیاز ما پاسخ دهند اساسا‌ً از منابع هسته ای هستند. خواه رآکتور‌های شکافت هسته‌ای دست‌ساز بشر یا رآکتور‌های همجوشی هسته‌ای یا واکنش‌های هسته‌ای ناشی از واپاشی اورانیوم و توریوم در سنگ‌های درون زمین (انرژی زمین گرمایی).
البته رآکتور همجوشی هیدروژنی بسیار بزرگی در خورشید هم یافت می‌شود. آنجاست که منابع عظیمی از انرژی قابل یافتن است. هنوز ذکر «انرژی خورشیدی» در هر گفت‌وگویی گاهی اوقات باعث خنده کنایه آمیزی از بعضی افراد می‌شود. افرادی که با این کار به ما نشان می‌دهند که نمی‌دانیم عظمت صنعت انرژی چقدر است. انرژی خورشیدی هم اکنون بازیگر مهمی در انرژی جهان نیست. برای آن افراد با آن خنده‌های کنایه‌آمیز می‌خواهم اشاره کنم که اگر آنها رآکتور‌های هسته‌ای را راه حلی طولانی مدت و قوی می‌دانند، باید با رآکتوری که با قدرت تمام میلیلاردها سال در حال کار است آشنایشان کنم. بدون هیچ زحمتی، ما از ۱۶۵۰۰۰ تِراوات انرژی که در ثانیه و هر روز به سطح زمین برخورد می‌کند بهره می‌بریم.
این رآکتور عظیم ۴ میلیارد سال است که در حال کار است و احتمالا‌ً تا چند میلیارد سال دیگر هم به فعالیت پایدار خود ادامه خواهد داد و در واقع می‌توان گفت ما زیر دوش انرژی خورشیدی هستیم. نِیت لوویس از انستیتوی تکنولوژی کالیفرنیا می‌خواهد نشان دهد که ما به صورت کاملا‌ً پاکی می‌توانیم انرژی مورد نیاز خود را تامین کنیم. دو کیلو‌وات‌ساعت انرژی برای هر نفر با وجود ۱۰ میلیارد نفر انسان، با به کارگیری این روش زیبا.
به شش مربع کوچک مشخص شده بر روی نقشه جهان نگاه کنید که در نواحی ای با تابش شدید خورشیدی واقع شده‌اند. اگر مکانیزمی با بهره وری ٪۱۰ برای جمع‌آوری انرژی داشته باشیم، با شش مربع هر یک با ضلعی برابر ۱۰۰ کیلومتر، می‌توانیم ۲۰ تِراوات انرژی به دست آوریم که معادل همان ۶۰ تِراوات انرژی با ضریب تبدیل ٪۳۰ است. این مقدار به طور کلی مسئله انرژی بشر را حل خواهد کرد و به ما اجازه خواهد داد تا به دیگر مسائل رو در روی بشر در باقی قرن بپردازیم.
البته با اینکه مقدار زیادی انرژی خورشیدی وجود دارد هنوز ما تکنولوژی بهره‌برداری کاملا ارزان را از این انرژی نداریم. هم اکنون هزینه آن چیزی حدود ۲۰ تا ۵۰ سِنت به ازای هر کیلو‌وات‌ساعت به طور متوسط در شبانه روز در می‌آید که خیلی گران است. اگر شما هم با من هم نظرید که ما نیاز داریم تا برای ۱۰ میلیارد انسان با توان داشتن سقفی بالای سرشان، غذای کافی برای خوردن، پویایی و تحرک کافی، ارتباطات و امکان ساختن خانه و گسترش شهرها، تامین انرژی کنیم پس موافق خواهید بود که سیستم انرژی جهان نیاز به انقلابی دارد. ما به انرژی پاک، ارزان و در اندازه‌های بزرگ احتیاج داریم.
شبکه انتقال انرژی
مشکل‌ترین مسئله یافتن راهی بادوام برای جابه‌جایی منابع انرژی است که دهه هاست ما بر آن تکیه کرده‌ایم، مشخصا‌ً نفت. نفت نه تنها اولین منبع بزرگ انرژی است بلکه بهترین نوع آن از نظر جابه‌جایی در پهنه قاره‌ها و اقیانوس هاست. بیشتر نفتی که ما وارد می‌کنیم از مسیر دریا می‌آید و این یک مسیر بسیار بهینه است.
وقتی ما یک بشکه گاز می‌خریم هزینه حمل و نقل آن کمتر از ٪۱۰ کل هزینه آن است. با این حال انتقال گاز طبیعی از این طریق بهره وری بسیار کمتری دارد. گاز طبیعی برای انتقال ابتدا باید سرد شده و به حالت مایع به شکل LNGدرآید و سپس در تانکرهایی قرار گیرد که خود مقدار زیادی انرژی مصرف می‌کند. تانکر‌های LNGگران‌ترند و باعث گران‌تر شدن حمل و نقل می‌شوند و باز هم تبدیل LNGبه گاز برای ذخیره سازی، انتقال توسط لوله و مصرف در مقصد باعث مصرف انرژی می‌شود. از آنجا که گاز ما در نهایت باید صادر شود درصدد یافتن هزینه هایی هستیم که با گذر زمان برای انتقال آن صرف خواهد شد. انتقال هیدروژن مایع بسیار بیش از این هزینه بر می‌دارد.
انتقال انرژی به صورت انرژی
در حدود سال ۲۰۵۰ ما چگونه می‌خواهیم انرژی را در فواصل طولانی منتقل کنیم درحالیکه هزینه این انتقال زیاد نباشد و انرژی را که نیاز داریم به دست آوریم. بهترین راه انتقال انرژی به صورت همان انرژی است نه به صورت ماده در یک شکل شیمیایی دیگر و حفظ آن به صورت انرژی خالص.
مشخصا‌ً دو راه برای این کار وجود دارد: می‌توان انرژی را به صورت تابش ریزموج به سمت ماهواره هایی فرستاد و با بازتاب آن در جایی دیگر آنرا دریافت کرد یا می‌توان آن را توسط شبکه کابلی در سطح زمین انتقال داد. ما از هر دو راه بهره خواهیم جست اما انتقال کابلی سهم بیشتری خواهد داشت.
ذخیره محلی انرژی
شبکه ای که در نیمه قرن وجود خواهد داشت دارای دو ویژگی مهم نسبت به شبکه‌های انتقال برق کنونی است. یکی پایانه‌های محلی ذخیره انرژی است. هر یک از صدها میلیون مصرف‌کننده در شبکه دارای واحد ذخیره سازی خود خواهد بود. چیزی شبیه یک UPS (منبع تغذیه بدون انقطاع) که نه تنها انرژی مورد نیاز یک کامپیوتر را برای چند دقیقه تامین می‌کند بلکه می‌تواند یک خانه را با کارکرد تمام در مدت ۱۲ تا ۲۴ ساعت تامین انرژی کند.
تصور کنید در نیمه قرن، تکنولوژی نانو، مواد جدید و احتمالا‌ً فیزیک جدید امکاناتی برای ذخیره انرژی الکتریکی در فضایی کمتر از یک قفسه کتاب فراهم آورند. این واحد قادر به ذخیره‌سازی ۱۰۰ کیلو وات ساعت انرژی الکتریکی بوده و برای مصرف یک خانه در ۲۴ ساعت کافی است. اگر هم اکنون بخواهیم چنین واحد ذخیره سازی ای را با یک باطری اسید-سرب فراهم کنیم فضایی در حدود ۲۰ برابر بیشتر، در حدود یک اتاق کوچک نیاز خواهد داشت و هزینه آن حدود ۱۰۰۰۰ دلار خواهد بود.
من معتقدم اگر ما واقعا‌ً فکرمان را در این راه بگذاریم می‌توانیم به حجم کمتر و هزینه پایین‌تر برای چنین واحد ذخیره‌سازی برسیم. تکنولوژی‌های بسیاری باید در این «جعبه» با هم هماهنگ شوند و آن مقدار انرژی را ذخیره کنند. در مقابل اگر بخواهیم این انرژی را در مقیاس خیلی بزرگتری چون یک نیروگاه ذخیره کنیم، امکانات بسیار کمتر است.
ما می‌توانیم آب را تا ارتفاعی پمپ کنیم و آنرا دوباره به پایین برگردانیم، اگر آب و زمین مناسب این کار را داشته باشیم. یا می‌توانیم هوا را فشرده کنیم اگر محفظه‌های بزرگی برای ذخیره آن داشته باشیم. هم اکنون تجهیزات ذخیره انرژی در ابعاد بزرگ وجود دارند اما نسبت به ذخیره ساز‌های کوچک انرژی از کاربری و خواستنی بودن بی بهره‌اند.
تجاری‌سازی ذخیره انرژی
من معتقدم ساخت یک ذخیره‌کننده محلی انرژی باید یکی از اولین اهداف انرژی ما باشد. بیایید به توسعه اسباب و اساس جدیدی برای این صنعت بزرگ بپردازیم. این محصول به راحتی در بازار چند صدمیلیونی مصرف کنندگان ذخیره محلی انرژی جا باز خواهد کرد. از آنجا که این واحد ارزان قیمت خواهد بود -حداکثر چند هزار دلار- کاربران در صورتی که راضی نباشند می‌توانند آن را با واحدهای بهتری تعویض کنند، مثل دیگر محصولات تکنولوژیک کنونی چون کامپیوترها. به طور متوسط هر پنج سال یا بیشتر کاربران می‌توانند به انتخاب خود واحد ذخیره‌ساز خود را بر اساس مشوق‌های اقتصادی و پیشرفت‌های اتفاق‌افتاده در این حوزه ارتقا دهند.
فکر‌های مبتکر به طور پیوسته در جستجوی بهترین جواب‌ها برای چیزهایی خواهند بود که در این «جعبه ذخیره‌ساز» قرار خواهد گرفت. این واحد ذخیره‌ساز مشکل ذخیره انرژی را حل خواهد کرد. با حل این مشکل، حالا دریافت بیشترین انرژی و ذخیره آن از منابع نه چندان قابل اطمینان و مقطعی‌ای چون باد و خورشید امکان‌پذیر خواهد بود.
ما نمی‌توانیم بیش از ۱۰ تا ۲۰ درصد بر منابع انرژی چون باد و خورشید برای تامین مقادیر زیادی انرژی اطمینان کنیم. بیشتر از این حدِ ۱۰ تا ۲۰ درصد، ما نیاز به دسترسی به ذخیره‌های خود داریم که آماده فراهم کردن انرژی الکتریکی در زمانی باشند که خورشید از تابیدن یا باد از وزیدن باز ایستد. ذخیره‌سازی محلیِ انرژی امکان گذر کردن از این مشکل و داشتن سیستم انرژی قوی، مقاوم در برابر حرکت‌های خرابکارانه و تمرکززدایی شده را برایمان فراهم می‌سازد.
تکمیل شبکه انتقال: خطوط انتقال با ولتاژ بالا
علاوه بر این سیستم محلی به ابداع دیگری نیز برای این شبکه احتیاج داریم تا آن را کارا سازیم. ما به قابلیت انتقال صدها گیگاوات انرژی الکتریکی در طول هزاران مایل در این شبکه احتیاج داریم. خطوط انتقال با ولتاژ بالا برای این کار بسیار مفید و دارای بهره‌وری است.
هم اکنون ما خطوطی داریم که قادر به انتقال جریان مستقیم الکتریسیته در طول ۱۵۰۰ مایل با مقدار کمی اتلاف است. این خطوط قادر به انتقال فقط یک گیگاوات یا هزار مگاوات و نه ۱۰۰ گیگاواتی که ما احتیاج داریم، هستند. اگر با استفاده از تکنولوژی جدید قادر به انتقال انرژی مورد نیازمان هزاران مایل دورتر از جایی که تولید شده با هزینه کم باشیم، قاره آمریکای شمالی می‌تواند کل انرژی مورد نیاز خود را تامین کند.
همه انسان‌ها سهیم اند
این هدف آنچنان که ممکن است به نظر برسد دور از دسترس نیست. نواحی در این قاره آمریکای شمالی وجود دارد که تحت تابش شدید خورشید است و بسیار قابل اطمینان. همچنین مکان‌های بسیار دوری وجود دارد که افراد را در معرض نیروگاه‌های هسته‌ای قرار نخواهد داد. مکان هایی دور از حیاط‌خلوت افراد. امروزه بیشتر افراد از اینکه چه بخشی از انرژی مصرفی آنها از نیروگاه‌های هسته ای می‌آید و محل این نیروگاه‌ها بی اطلاع اند.
بنابراین ترکیب خطوط طولانی انتقال برق و واحدهای ذخیره‌سازی، امکان دسترسی به انرژی مورد نیاز را -فارغ از هر تکنولوژی نو دخیل در تولید آن و محل دقیق تولید این انرژی- برای ما فراهم می‌سازد. در عصر انرژی جدید همه انسان‌ها سهیم‌اند. ابداعات جدید در نانوتکنولوژی و پیشرفت‌های علوم مواد ما را قادر می‌سازد تصورات خود را از انرژی ارزان و فراوان با حقیقت پیوند بزنیم. با توسعه تکنولوژی‌های نو و راهنمایی ارگان‌های سازماندهی چون «انجمن تحقیقات مواد» و گسترش استعداد‌های نسل جوان دانشمندان و مهندسان، من معتقدم می‌توان بیشتر مسائل بحرانی انرژی را حل کرد.
