Az előző részben elkezdtük tárgyalni, hogy miért is kíván meg gigászi erőfeszítést a jelenlegi, túlnyomó többségben fosszilis szén és hidrogén alapú energiarendszer új alapokra helyezése, aminek végeredményeként túlnyomó többségben (és hosszútávon teljesen) megújuló erőforrásokat kiaknázó technológiákat használnánk csak a világ energiaéhségének kielégítésére.

A HartEnergy oldalain megjelent írásában Mark P. Mills szerint két komoly akadálya van annak, hogy a világ rövidesen lemondjon a fosszilis szén és hidrogén (szén, kőolaj és földgáz) alapú energiatermelésről. Először: fizikai gátja van annak, hogy az energiatermelő rendszer egy a digitális forradalomhoz hasonló gyors és gyökeres átalakuláson mehessen keresztül. Másodszor: az elmúlt évszázadban nem fedeztünk fel alapvetően új energiatermelési technológiát, legalább is nem olyan nagyságrendekkel fejlettebb technológiát, mint amilyet pl. a tranzisztor vagy az internet jelentett a digitális gazdaságban ugyanezen idő alatt.

A szél- és napenergia fizikai ára

Az "új energia gazdaság" a jelenlegi elképzelések szerint nagyjából három fontos technológiai megoldásra épül: szélerőművekre, napelemekre és kémiai kötéseken alapú energiatárolásra, amit köznyelven elemeknek vagy akkumulátoroknak hívunk. Bár az elemek és akkumulátorok nem termelnek energiát maguktól, fontos részei a rendszernek, hiszen a periodikus nap és szélenergia termelést teszik elérhetővé a nap 24 órájában a fogyasztók számára.

Bár az integrálás szempontjából új területre léptünk, sem a nap, sem a szélenergia kinyerése nem jelent gyökeresen új technológiát alapjaiban. A modern szélerőművek nagyjából 50 éve jelentek meg néhány új anyag kifejlesztése után, pl. a kompozit műanyagok nélkül lehetetlen lenne a turbinalapátokat létrehozni. Az első kereskedelemben is kapható napelem is közel fél évszázados, csakúgy mint a lítium-ion alapú elemek feltalálása (egy Exxon kutató által).

Az elkövetkező évtizedekben mindhárom technológia jelentősen fejlődött és fajlagos áruk nagyjából a tizedére esett vissza. Ennek és a jelentős állami támogatásoknak köszönhetően terjedtek el szélesebb körben, nagyjából a nulláról indulva (a néhány muzeális értékű működő szélmalmot nem számítva). Ezek a technológiák kétségtelenül tovább fognak fejlődni az elkövetkező évtizedekben is, de bizonyos határokon belül. Ezek a határok nagyon fontosak a mostani energia rendszer átalakulása miatt — később még visszatérünk erre — már csak azért is, mert a természeti erőforrások adta lehetőségek és az emberiség energiaéhsége közötti különbséget hivatottak áthidalni.

A jelenlegi technológiák esetében 1 millió dollár napelemekben való befektetésével kb. 40 millió kilowattóra (millió kWh = GWh) energia nyerhető ki egy harminc éves időszakban. Hasonló értéket kapunk a szélenergiába történő befektetésnél: 1 millió dollár értékű modern szélerőmű park kb. 55 GWh energiát termel 30 év alatt. Összehasonlításképpen: 1 millió dollár befektetésű palaolaj vagy palagáz kitermelés 30 év alatt kb. 320 GWh áramot termel. Vagyis ugyanannyi tőkének anyagi dolgokba való befektetése után kb. 600%-kal több áramot lehet kinyerni az utóbbi esetben.

Egy másik összehasonlítás szerint amennyi pénzből egy palaolaj vagy palagáz kutat ki lehet alakítani (fúrás, stb.), két darab, nagyjából 130 méter magas és egyenként 2 MW csúcsteljesítményű szélerőművet lehet telepíteni. Ez a két szélerőmű átlagosan az évek során annyi energiát fog termelni, mint amennyi kb. 0,7 hordó/óra olajban vagy az azzal ekvivalens gázban van. A palaolaj vagy palagáz kút viszont több évtizedes átlagban nagyjából 10 hordó/óra hozammal (vagy az ezzel ekvivalens gázmennyiséggel) bír majd.

Ez az energiahordozók közötti több nagyságrendbeli különbség a természet törvényei által diktált energia sűrűséggel magyarázható és teljesen független a befektetési tervektől, politikai szólamoktól, választások programoktól vagy állami támogatások mértékétől. A szénhidrogének kimagaslóan nagy energiasűrűsége kémiai alapokon nyugszik, tudományosan leírt és megértett jelenség, csakúgy, mint a természeti törvényekből fakadó alacsony energiasűrűsége a megújuló energiaforrásoknak, pl. földfelszínt érő négyzetméterenkénti napenergia mennyisége vagy a mozgó légtömegek mennyisége és sebessége a szélenergia szempontjából. Teljesen függetlenül attól, hogy egy kormány mekkora árat ír elő az áramszolgáltató vállalatok számára, a napsütéses órák száma vagy a szélerősség, és az ebből kinyerhető maximális energia mennyisége és a termelés hatékonysága tőlük teljesen független és fizikai törvények által megszabott keretek között alakul majd.

A fenti szénhidrogén vagy nap és szélenergia alapú összehasonlítás persze csak kiindulási pontja egy olyan elemzésnek, ahol azt vizsgáljuk, hogy mennyire lehet hasznos ez az energiaforrás a tényleges fogyasztás kielégítésére. Ahhoz, hogy egy energiaforrás az úgynevezett elsődleges energiaforrások közé tartozzon, további befektetésre van szükség. Az olaj vagy földgáz esetében ehhez még szükség van a tárolásra és egy gázturbina által hajtott generátorra ahhoz, hogy elektromos áramot tudjuk termelni. A szél és napenergia esetében valamiféle elektromos tárolási megoldásra van szükség ahhoz, hogy a hálózati kívánalmaknak meg tudjunk felelni, vagyis hogy a megszakított áramtermelésből 24/7 folyamatos áramellátást tudjunk létrehozni.

A folyamatos áramellátás magas ára

A kis- és nagyfogyasztói áramellátás legfontosabb kritériuma az állandó áramszolgáltatás biztosítása, amit az áram ára követ szorosan a sorban. Ez után pedig az az örökké tartó keresés következik, miszerint minél alacsonyabb termelési árat tudjunk szolgálatba állítani az állandóság biztosítása mellett. A modern kor előtt a gazdasági és társadalmi fejlődés folyamatos gátja volt az energiaforrások megszakított elérhetősége. Ez az alapvető oka annak, hogy jelenleg az áramellátás több, mint 90%-a és a transzport szektorban felhasznált energia több, mint 99%-a olyan forrásból származik, amelyet az igényelt mennyiségben akármikor elérhetünk.

A 21. században az adat centrikus, egyre inkább elektromosságon alapuló társadalmakban a folyamatosan, megszakítások nélkül elérhető elektromos áram alapvető szükséglet. Minden mostani és jövőbeli megoldás a fizikai határokon belül, és azok által vezérelve lesz csak elérhető, bármennyi pénzt is áldozunk rá.

A fosszilis szén és hidrogén alapú jelenlegi megoldások mindegyike olyan befektetés eredménye, amelynek köszönhetően a materiális eszközök évente legalább 8000 órán át folyamatosan tudnak anyagból elektromosságot előállítani, több évtizeden keresztül. Mindemellett a jelenlegi rendszerben az alapanyagokat viszonylag könnyedén tudjuk tárolni azokra az esetekre, amikor a fogyasztás meghaladná az átlagos áramtermelési teljesítményt, vagy amikor a balesetek vagy időjárási körülmények miatt az erőforrások anyagáramlása időlegesen megakad.

Jelenleg 1 dollárnál is kevesebbe kerül 1 hordónyi olaj (vagy az ennek megfelelő földgáz) tárolása néhány hónapra. A szén tárolása még ennél is olcsóbb. Nem teljesen véletlenül, szinte az összes fejlett ország ennek köszönhetően egy vagy két hónapnyi teljes fogyasztásnak megfelelő mennyiséget tárol folyamatosan az év bármelyik pillanatában.

Összehasonlítva, a jelenlegi akkumulátor technológiák alkalmazásával ugyanennyi energia tárolása kb. 200 dollárba kerül. Emiatt aztán a néhány hónapos tartalékok helyett jelenleg az USA területén a teljes fogyasztásnak kb. két órányi kielégítésére elegendő tárolási kapacitás található az áramszolgáltatók által telepített ipari akkumulátorokban, a háztartási rendszerekben és a magánszemélyek által vásárolt elektromos autókban összesen.

A szél- és napenergia költségei a szénhidrogénekhez képest fordítottak. Bár a szélerőművek és a napelemek is degradálódnak idővel, ezeket karbantartani sokkal olcsóbb, mint pl. egy gázturbinát. De a komplikált és viszonylagosan instabil elektrokémián alapuló akkumulátorok miatt a megújuló energiaforrásokon alapuló áramtermelés sokkal drágább és kevésbé (költség)hatékony, amikor az állandó elérhetőség a cél.

Mivel a szénhidrogének tárolása viszonylag könnyű és olcsó, az erőművek könnyedén rendelkezésre állnak vagy kapcsolhatók le, a napi, hónapos és éves fogyasztási ciklusok szerint. A szél- és napenergián alapuló termelést nem lehet bekapcsolni, ha nincs szél vagy éppen sötét van. Ebből és más geofizikai törvényekből fakadóan egy szél- vagy naperőmű évente átlagosan 25 és 30%-ban fog termelni optimális esetben. A hagyományos erőművek ehhez képest éves szinten legalább 80 és 95%-ban állnak rendelkezésre, gyakran még ennél is magasabb értékeket mutatva.

Egy nap- vagy szélenergián alapuló rendszer tervezésekor egyrészt a csúcsfogyasztás mértékét kell figyelembe venni, másrészt pedig a megkívánt hosszútávú kapacitást is biztosítani kell a nap és szél mennyiségétől függően. Ez annyit jelent, hogy átlagosan egy nap- vagy szélenergiát kiaknázó rendszer legalább háromszor akkora termelési kapacitású kell, hogy legyen, mint egy fosszilis szén és hidrogén alapú rendszer lenne. Ez, nagy vonalakban annyit jelent, hogy minden 1 MW fosszilis áramtermelést legalább 3 MW nap- és szélenergián alapuló erőművel lehet kiváltani. Emiatt aztán a megújuló energiaforrások költsége még akkor is "csak" háromszorosa lenne a fosszilisénak, ha minden más gazdasági mutatóban megegyezőek lennének.

Sajnos ennyi még nem elég a megfelelő hosszútávú kapacitás eléréséhez. A meteorológia és jelenleg rendelkezésre álló működési adatok szerint az átlagos havi áramtermelés egy szél- vagy naperőmű esetében akár két nagyságrenddel is kisebb lehet az erőforrás "gyenge" hónapjában (tél, magas páratartalom, időszakos szélcsend, stb.). Ez pedig azt jelenti, hogy a fenti, háromszoros többletkapacitáson felül még nagyobb ráhagyással kell majd tervezni a folyamatos áramellátás garantálásához.

A fizikai határokat az elmúlt évezredek során nem tudtuk megkerülni. Várhatóan az elkövetkező évtizedekben sem sikerült majd azokat felrúgni. Ha tényleg komolyan gondolja az emberiség, hogy a fosszilis energiahordozókon alapuló energia termelési rendszer teljes revízióra szorul, akkor az ehhez szükséges hosszútávú költségeket is a tárgyalóasztalra tenni.

Ezt fogjuk a következő részben áttekinteni, a termelés és fogyasztás kiegyensúlyozása körüli elektromos hálózattal kapcsolatos problémákkal együtt.