Kann die Zivilisation überleben? Diese Studien könnten uns sagen

Die Abkehr der Welt von ihrer derzeitigen Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen wird das größte, teuerste und komplexeste technische Projekt sein, das jemals von Menschen unternommen wurde. Wenn sie scheitert, könnte das das Ende der industriellen Zivilisation bedeuten. Um erfolgreich zu sein, sind enorme Investitionen und Anstrengungen sowie einige gemeinsame Opfer erforderlich. Dies sind die Schlussfolgerungen wichtiger neuerer Studien, die versuchen, die globale Energiewende zu modellieren.

Energie ist wesentlich; Es ist das, was uns befähigt, buchstäblich alles und jedes zu tun, was wir tun. Fossile Brennstoffe mit ihrer Fähigkeit, enorme Energiemengen zu speichern und abzugeben, bilden die Grundlage der modernen Industriewelt. Da fossile Brennstoffe jedoch endlich sind und die Umwelt verschmutzen, ist es zwingend erforderlich, dass wir eine Umstellung auf erneuerbare Energiesysteme planen, die langfristig tragfähig sind.

Eine Abkehr von fossilen Brennstoffen ist nicht optional; in irgendeiner Form ist es unvermeidlich. Es gibt jedoch ernsthafte Fragen darüber, wie viel es in Bezug auf Geld, Energie und Emissionen kosten wird; wie schnell wir es erreichen können; und welche Art von Gesellschaft kann von den alternativen Energiequellen unterstützt werden, die wir verwenden – vermutlich eine Reihe von Quellen, die von Solar- und Windenergie dominiert werden.

Diese Fragen haben politische und wirtschaftliche Dimensionen. Aber sich auf Politik oder Wirtschaft zu verlassen, um den Übergang zu lenken, wäre töricht, ohne zuerst die Optionen und ihre Auswirkungen auf die physische Welt zu analysieren. Andernfalls werden Politiker und Ökonomen nur versuchen, unser derzeitiges Industriesystem so weit wie möglich aufrechtzuerhalten, obwohl dieses System von Natur aus nicht nachhaltig ist (aufgrund der Tatsache, dass es überwiegend von der Erschöpfung fossiler Brennstoffe abhängt) und durch den Klimawandel kaskadierende Krisen erzeugt.

Ausgebildete Analysten schätzen anhand von computergestützten Modellen ab, was die Energiewende bedeutet und wie sie am besten bewerkstelligt werden kann. Bisher hat die Übergangsmodellierung jedoch bemerkenswert wenig Aufmerksamkeit von politischen Entscheidungsträgern oder der allgemeinen Öffentlichkeit erhalten.

Was wir wissen müssen

Bei den ersten Bemühungen zur Modellierung der Energiewende wurde hauptsächlich geschätzt, wie viele Sonnenkollektoren und Windturbinen benötigt würden, um die Energie zu ersetzen, die wir derzeit aus fossilen Brennstoffen gewinnen, und wie viel all diese Technologie kosten würde. Doch die Energiewende wird eine weitaus komplexere Aufgabe sein, als nur neue Energieerzeuger zu bauen. Da Solar- und Windenergie intermittierend sind, ist eine Energiespeicherung erforderlich, zusammen mit mehr Redundanz bei der Erzeugungskapazität. Da die meisten der neuen Energiequellen Strom produzieren werden, während die meisten aktuellen Infrastrukturen zur Energienutzung auf speicherbare Brennstoffe ausgelegt sind, müssen wir einen Großteil der energiebetriebenen Technologien elektrifizieren (Elektroautos sind nur der Anfang). Gleichzeitig brauchen wir eine ganz neue Industrie, um kohlenstoffarme Brennstoffe für Technologien herzustellen, die schwer zu elektrifizieren sein werden – wie Zementöfen und Flugzeuge.

Das Feld von Systemdynamik eignet sich ideal für die Analyse der Energiewende, da seine Praktiker darauf abzielen, sich verändernde komplexe Systeme zu modellieren. Studien zur Systemdynamik erzeugen oft mehrere mögliche Szenarien, wobei jedes Szenario auf der Anpassung einer Schlüsselvariablen basiert.

Im Hinblick auf die Energiewende benötigen wir systemdynamische Szenariostudien, die folgende Fragen beantworten können:

• Wie viel wird der Übergang monetär kosten – nicht nur für Panels und Turbinen, sondern für das System als Ganzes, einschließlich der gesamten neuen elektrifizierten Infrastruktur, zusammen mit der Infrastruktur, die für die Energiespeicherung und die Produktion von kohlenstoffarmen Kraftstoffen benötigt wird?
• Wie viel Energie wird es brauchen? Der Aufbau all dieser neuen Infrastruktur wird Energie kosten. In den frühen Phasen des Übergangs wird der Großteil dieser Energie aus fossilen Brennstoffen stammen, die derzeit über 80 Prozent der globalen Energie liefern.
• Was ist mit Kohlenstoffemissionen? Während der Energiewende wird die Gesellschaft mehr Treibhausgase emittieren als sonst (aufgrund hochgefahrener industrieller Prozesse, die zum Aufbau einer neuen Energieinfrastruktur erforderlich sind). Wie viel mehr?
• Wie wird sich der Übergang auf das Wirtschaftswachstum auswirken und umgekehrt? Wenn die Weltwirtschaft weiter wächst, könnte dies den Übergang erschweren, da mehr Energie für Nicht-Übergangszwecke benötigt würde. Aber die absichtliche Kontraktion der Wirtschaft, um mehr Energie auf den Übergang zu lenken, könnte die finanzielle (und politische) Unterstützung für das Projekt untergraben.
• Wie wird sich der Übergang auf die Rendite der Gesellschaft auf die Energie auswirken, die sie investiert, um mehr Energie zu erhalten (Energierendite bzw EROI)? Es sind die hohen Energiegewinnquoten fossiler Brennstoffe, die es der Menschheit ermöglicht haben, komplexe Industriegesellschaften aufzubauen, in denen die große Mehrheit der Menschen ihre Tage damit verbringt, Energie zu nutzen, anstatt sie zu produzieren. Der EROI für fossile Brennstoffe sinkt im Allgemeinen aufgrund der Erschöpfung hochwertiger Vorräte an Öl, Gas und Kohle, während der EROI für erneuerbare Energien aufgrund technologischer Verbesserungen im Allgemeinen steigt. Aber die Situation ist kompliziert: Während des Übergangs fallen die Energiekosten früher an als die Energierückzahlungen, wodurch der gesamtgesellschaftliche EROI möglicherweise zumindest vorübergehend gesenkt wird. Und der EROI für erneuerbare Energien könnte aufgrund der Erschöpfung von Mineral- und Metallerzen sinken, die zum Bau dieser Technologien in großem Maßstab benötigt werden (da der Abbau und die Raffination von minderwertigen Erzen mehr Energie erfordern).
• Wie wird der Übergang durch Materialknappheit beeinflusst? Der Bau von Sonnenkollektoren, Windkraftanlagen, Batterien und anderen erneuerbaren Energietechnologien in großem Maßstab wird erforderlich sein enorme Mengen an Metallen und Mineralien, von denen einige bereits knapp sind.
• Was sind die Kosten und Vorteile, wenn der Übergang schneller oder langsamer geht? Die Geschwindigkeit des Übergangs könnte unterschiedliche Auswirkungen auf die Wirtschaft, die Energieverfügbarkeit, den gesellschaftlichen EROI und die Treibhausgasemissionen haben.

Natürlich gibt es eine Menge, die wir wissen müssen. Und um die Komplexität noch weiter zu erhöhen, können wir nicht jede dieser Fragen einzeln angehen, da alle Teile des Energiesystems und des von ihm angetriebenen Industriesystems ständig interagieren werden. Deshalb brauchen wir Szenarien, die auf dynamischer Systemmodellierung basieren.

Das Interesse an der Modellierung der Energiewende ist relativ neu, aber die wissenschaftliche Literatur wächst schnell. In den letzten zehn Jahren wurden Dutzende relevanter Forschungsarbeiten veröffentlicht, obwohl die meisten versuchen, nur eine oder zwei der oben aufgeführten Fragen zu beantworten (z. ein Bericht von McKinsey-Beratern geschätzt, dass der globale Übergang über 275 Jahre 30 Billionen US-Dollar kosten wird; Dieser Bericht wurde kritisiert hier). Eine vollständige Erörterung all dieser Veröffentlichungen wäre unhandlich, zumal viele keine systemdynamische Methodik anwenden. Lassen Sie uns stattdessen einen Überblick über zwei neuere Studien zur Systemdynamik geben, die sich mit vielen der von mir gestellten Fragen befassen. Die Schlussfolgerungen der einen Studie sind düsterer, die der anderen weniger.

„Dynamische Energierückgabe“

Die erste Studie ist „Dynamischer Energieertrag von Energieinvestitionen (EROI) und Materialanforderungen in Szenarien der globalen Energiewende“ von Iñigo Capellán-Pérez, Carlos de Castro und Luis Javier Miguel González, erschienen in Bewertungen der Energiestrategie im November 2019. Im Folgenden bezeichne ich diese Studie einfach als „Dynamische Energierückgabe“.

Das Wissenschaftlerteam „Dynamic Energy Return“ konzentrierte sich auf EROI, weil sie glauben, dass es der Schlüssel zum Ergebnis der Energiewende sein wird. Wenn der gesellschaftliche EROI während und nach dem Übergang hoch ist, bedeutet dies, dass Energie einfacher zu beschaffen sein wird. Und mit mehr und billiger Energie werden andere Probleme leichter zu lösen sein. Beispielsweise könnte billige Energie die Verarbeitung von minderwertigen Mineral- und Metallerzen in größeren Mengen ermöglichen, wodurch die Herstellung von Komponenten für erneuerbare Energien und die Installation von Infrastruktur billiger würden. Wenn jedoch der gesellschaftliche EROI abnimmt, werden die meisten industriellen und wirtschaftlichen Probleme schwieriger zu lösen – egal, ob es um die Herstellung oder den Erwerb von Ressourcen geht.

Die Ergebnisse dieser Studie sind besorgniserregend. Laut den Autoren gewinnt die Welt derzeit 12 Energieeinheiten für jede Energieeinheit, die in die Energieerzeugung investiert wird (durch das Bohren von Ölquellen, den Kohleabbau, den Bau von Kernkraftwerken, die Herstellung und Installation von Sonnenkollektoren usw.). Eine nahezu vollständige Umstellung des globalen Energiesystems bis 2060 würde diese Amortisation auf 3 bis 5 Einheiten reduzieren. Die Autoren weisen darauf hin, dass frühere Untersuchungen darauf hindeuten, dass ein Energiegewinnverhältnis im Bereich von 3:1 bis 5:1 den Betrieb moderner Industriegesellschaften nicht aufrechterhalten könnte.

Der gesellschaftliche EROI würde teilweise aufgrund des erhöhten Energiebedarfs für den Aufbau neuer Energieinfrastruktur zurückgehen. Auch wenn die neuen Energiegeneratoren während ihrer Lebensdauer mehr Energie produzieren würden, als für ihren Bau aufgewendet würde, würden Energieinvestitionen an erster Stelle stehen, während sich die Energie amortisieren würde über Jahre oder Jahrzehnte. Daher bedeutet ein schneller Übergang, dass der EROI des Energiesystems insgesamt sinken würde, zumindest bis der Übergang größtenteils abgeschlossen ist. Darüber hinaus „muss die Energieerzeugung um 35 % steigen, um die Gesellschaft während des Übergangs mit der gleichen Menge an Nettoenergie zu versorgen“.

Die Studie „Dynamic Energy Return“ stellte auch fest, dass ein größerer Bedarf an Rohstoffen „eine erhebliche Rematerialisierung der Wirtschaft“ vorantreiben könnte. Die Autoren schätzen, dass die kumulierte Nachfrage die derzeitigen Mineralreserven für Tellur, Indium, Zinn, Silber und Gallium übersteigen würde.

Die Implikationen der Studie sind erschreckend. Wenn die Gesellschaft einen raschen Übergang weg von fossilen Brennstoffen und hin zu erneuerbaren Energiealternativen verfolgt und gleichzeitig versucht, das derzeitige Niveau des Energieverbrauchs für andere Zwecke (Landwirtschaft, Fertigung, Gebäudeheizung und -kühlung, Straßen- und Hochbau sowie Transport) beizubehalten, werden Energiesysteme angespannt, möglicherweise bis zum Zerreißen. In der Tat könnte der Übergang unter den Bedingungen sinkender EROI und Ressourcenknappheit scheitern, und Industriegesellschaften könnten es schwer haben, den Zusammenbruch abzuwenden.

 „Energiebedarf“

Die zweite Studie „Energiebedarf und COXNUMX-Emissionen für eine COXNUMX-arme Energiewende“ von Aljoša Slameršak, Giorgos Kallis und Daniel W. O' Neill, wurde in veröffentlicht Nature Communications veröffentlicht im November 2022. Ich werde diese Studie als „Energiebedarf“ bezeichnen.

Die Autoren von „Energy Requirements“ bestätigten teilweise die Ergebnisse von „Dynamic Energy Return“ und stellten fest, dass „der anfängliche Schub für einen Übergang wahrscheinlich zu einem Rückgang der der Gesellschaft zur Verfügung stehenden Nettoenergie um 10–34 % führen wird“.

Auch hier stellten diese Autoren fest, dass der gesellschaftliche EROI eine Schlüsselmetrik bei der Modellierung des Übergangs ist. Tatsächlich war diese Studie um drei Szenarien herum strukturiert – hoher, mittlerer und niedriger EROI. Die Kosten und Schwierigkeiten der Energiewende stiegen erheblich, da der angenommene EROI abnahm.

„Energy Requirements“ untersuchte auch die kumulativen Kohlenstoffemissionen im Zusammenhang mit dem Übergang zu einem kohlenstoffarmen Energiesystem und stellte fest, dass sie wahrscheinlich erheblich sein werden und zwischen 70 und fast 400 Milliarden Tonnen CO liegen werden₂, je nach Szenario. Zum Vergleich: Die heutigen globalen CO50-Emissionen belaufen sich auf etwa XNUMX Milliarden Tonnen pro Jahr.

Bis 2050, wenn die Gesellschaft einen raschen Wandel anstrebt, werden Aktivitäten im Zusammenhang mit dem Bau, Betrieb und Austausch von Energiegeneratoren mehr als das Zweieinhalbfache des prozentualen Anteils der gesamten CO1.5-Emissionen der Gesellschaft im Vergleich zum heutigen fossil dominierten Energiesystem erzeugen. Das scheint kontraintuitiv zu sein; Für das derzeitige Energiesystem zählen die Autoren jedoch hauptsächlich Emissionen aus Bohrungen und Bergbau – nicht die Verbrennung der produzierten Brennstoffe, da diese Emissionen mit anderen Wirtschaftssektoren (Landwirtschaft, Transport, Fertigung usw.) verbunden sind. Dieser Befund bedeutet, dass, wenn die Gesamtemissionen der Gesellschaft innerhalb des zulässigen Budgets bleiben sollen, um die globale Erwärmung auf XNUMX Grad zu begrenzen, der Rest der Gesellschaft (dh andere Sektoren als die Energieindustrie) die Emissionen reduzieren muss, vielleicht effektiv auf Null. Wie dies für Branchen wie die Luftfahrt oder die Stahl- und Zementindustrie bewerkstelligt werden könnte, ist kaum vorstellbar. Wenn wir nicht herausfinden, wie wir viele wichtige industrielle Prozesse neu erfinden können, müssen sie einfach erheblich verkleinert werden.

Die Schlussfolgerungen von „Energy Requirements“ sind relativ optimistisch: In seinem Szenario „hoher EROI“ ist die Verringerung des gesellschaftlichen EROI während des Übergangs bescheiden und der Anstieg der Emissionen relativ gering. Darüber hinaus schlussfolgern die Autoren:

„Ein gutes Leben könnte bei einem geringeren Energieverbrauch pro Kopf erreicht werden, indem die Effizienz energieverbrauchender Technologien verbessert wird (z. B. indem benzinbetriebene Autos durch Elektroautos ersetzt werden), indem von Verbrauchsentscheidungen mit höherer Energieintensität zu Entscheidungen mit niedrigerer Energieintensität übergegangen wird ( B. vom Auto auf das Fahrrad), und indem die ineffizientesten Alternativen ganz vermieden werden (z. B. Fliegen).“

Vergleich zweier Studien: Was können wir lernen?

Die Kontroverse innerhalb der Gemeinschaft der Energiewendemodellierer läuft größtenteils auf unterschiedliche Annahmen über aktuelle und zukünftige EROI-Zahlen für erneuerbare Energiequellen hinaus. In der Forschungsliteratur einige Studien deuten darauf hin, dass die Gesamtenergieausbeute für erneuerbare Energien weitaus niedriger ist als die für fossile Brennstoffe andere Studien stellen fest, dass die Energierendite für Sonne und Wind derzeit etwas höher ist als für Öl. Diese Unterschiede in den EROI-Schätzungen stammen größtenteils aus Designunterschieden der Studien. Einige Studien zählen nur die wichtigsten Energiezufuhren zum Bau und Betrieb von Erzeugern erneuerbarer Energie; diese Studien finden tendenziell einen höheren EROI. Andere Studien ziehen eine breitere Grenze, die zusätzliche Faktoren wie Energiespeicherung einbezieht, was zu einer niedrigeren Energiegewinnquote führt.

EROI-Pessimisten für erneuerbare Energien argumentieren, dass bei der Modellierung einer globalen Energiewende möglichst breite Grenzen gezogen werden sollten. Tatsächlich würden EROI-Pessimisten wahrscheinlich sogar das „niedrige EROI“-Szenario der Studie „Energiebedarf“ für unrealistisch halten, da es von steigenden EROI-Zahlen für erneuerbare Energietechnologien ausgeht. Würden sich die EROI-Zahlen für erneuerbare Energien wirklich verbessern, da die Erschöpfung hochwertiger Vorkommen an Mineralien und Metallen Hersteller von kohlenstoffarmer Infrastruktur dazu zwingt, mehr Energie für Bergbau und Raffination aufzuwenden?

Andererseits verweisen EROI-Optimisten für erneuerbare Energien auf die jüngste Geschichte sinkender Kosten für die meisten Technologien im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien und argumentieren, dass weitere Effizienzsteigerungen unvermeidlich sind, insbesondere wenn Ressourcenengpässe in Schach gehalten werden können übliche Mineralien ersetzen für diejenigen, die knapp werden.

Die beiden Studien stimmen in einigen allgemeinen Punkten überein:

• Die Energiewende wird einen erheblichen Energieaufwand erfordern. Dies wird Auswirkungen auf die Gesamtwirtschaft haben. Im Allgemeinen wird Energie während des Übergangs tendenziell teurer (wobei unklar ist, wie viel).
• Die Energiewende wird zusätzliche COXNUMX-Emissionen verursachen (wie viel ist unklar).
• Je schneller der Übergang, desto zermürbender wird er wahrscheinlich für die Gesellschaft. Daher ist es besser, früher zu beginnen. Da der EROI fossiler Brennstoffe unweigerlich sinkt, wird alles, was wir tun, was von fossilen Brennstoffen abhängt, schwieriger und teurer – einschließlich des Baus einer Infrastruktur für erneuerbare Energien. Idealerweise hätten wir die Energiewende vor Jahrzehnten beginnen sollen, als der Energieverbrauch geringer war und wir sowohl einen höheren EROI fossiler Brennstoffe als auch einen größeren hatten Kohlenstoffbudget. Diejenigen, die versuchen, den Übergang zu verzögern (wie es die Industrie für fossile Brennstoffe getan hat), machen die Lage für die Gesellschaft viel schlimmer.
• Ein höherer Energieverbrauch für Nicht-Übergangszwecke erschwert den Übergang. Da die Energiewende selbst sehr viel Energie benötigt, werden sowohl der Gesamtenergiebedarf der Gesellschaft als auch ihre COXNUMX-Emissionen während Teilen der Umstellung zunehmen – es sei denn, der Energieverbrauch für „normale“ Vorgänge (Transport, Herstellung usw.) kann eingeschränkt werden.

Im besten Fall ist die Energiewende durchaus möglich, wenn auch problematisch. Aber wohlmeinende Organisationen, die den Begriff „grünes Wachstum“ fördern, können angesichts der oben beschriebenen Kosten und Einschränkungen unrealistische Erwartungen wecken.

Im schlimmsten Fall verengt sich der Weg zum Erhalt der industriellen Zivilisation erheblich. Wenn die Schlussfolgerungen von „Dynamic Energy Return“ richtig sind, wird ein erfolgreicher Übergang wahrscheinlich grundlegende Veränderungen nicht nur in der Industrie, sondern auch in unserem Wirtschaftssystem erfordern. Und letzteres hätte erhebliche politische Auswirkungen (die Gelbwestenbewegung und die kanadischen Trucker-Proteste bieten nur schwache Hinweise darauf, was auf uns zukommen könnte).

In allen Szenarien wird während des Übergangs ein gewisses Maß an gemeinsamen Anstrengungen und Opfern in der gesamten Gesellschaft erforderlich sein.

Obwohl die Reduzierung des Energieverbrauchs für „normale“ gesellschaftliche Abläufe ein Schlüssel zum Erfolg des Übergangs zu sein scheint, gibt es unter nationalen und globalen politischen Entscheidungsträgern noch relativ wenig Diskussionen in dieser Richtung. Das ist angesichts dessen verständlich Wirtschaftswachstum erfordert mehr Energie, und Politiker haben gelernt, dass eine wachstumsfreundliche Politik der Schlüssel zum Wahlsieg ist. Aus diesem Grund wenden sich Klimadiskussionen unter politischen Führern schnell vom Thema Verbrauchsbegrenzung ab und hin zu COXNUMX-Ausgleichs- und Emissionsreduktionszielen, die lediglich ambitioniert sind und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die globale Erwärmung nicht eindämmen konnten. Das ist auch der Grund, warum die Klimaaktivistin Greta Thunberg die meisten globalen klimapolitischen Diskussionen als „bla, bla, bla“ charakterisiert.

Die Modellierung der Energiewende ist kompliziert und unvollkommen. Aber seine bisherigen Schlussfolgerungen sollten ein dringender Weckruf für politische Entscheidungsträger auf der ganzen Welt sein. Hallo Washington, Genf und Peking: hört jemand zu?

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