Ha majd a hagyományos energiaforrások kimerülnek, vagy olyan drágák lesznek, hogy gazdasági szempontból sem lesz érdemes használatuk, a megújuló energiaforrások vajon képesek lesznek-e fedezni energiaszükségleteinket? Mennyire végesek a megújuló energiaforrások, ezt a kérdést vizsgálja David Eichler professzor cikke a Facts & Arts internetes kiadásában (Renewable Energy – The cold facts), amelyből néhány érdekes megállapítást idézünk.
Néhány érdekes számadat az energiáról
Ha az emberiség jelenlegi energiaigényét 15 ezer GW teljesítménnyel lehet jellemezni, ami azt jelenti, hogy valamivel több, mint 2.5 kW jut átlagosan a Föld minden lakosára. Az egy főre jutó energia mellett az elemzésben fontos szerepet játszik az egységnyi szárazföld területre jutó energia is. Ha abból indulunk ki, hogy bolygónk felszínén 150.000 milliárd m2 földterület található (nagyjából 20 ezer m2 fejenként), akkor az egy négyzetméterre jutó energiaigény 0.1 W.
A Napból a légkör felső rétegeit elérő energia a jelenlegi igények csaknem tízezerszeresét teszi ki, ami úgy tűnhet elegendő tartalékot jelent a jelenlegi igények szempontjából. Ennek az energiának azonban csak egy része éri el a Föld felszínét. Átlagban azt lehet mondani, hogy kb. 150 W teljesítményű napenergia jut egy négyzetméterre. Érdekességként megjegyezhető, hogy ennyi energia egy év alatt egymillió kalória étel fogyasztásából vagy 120 kg szén elégetéséből állítható elő, vagyis ez annyi szén amennyit egy ember évente elfogyaszt. (Az egybeesés nem véletlen, hiszen az emberi testfelület, amely kb. 1 négyzetmétert tesz ki, nagyjából annyi hőt sugároz ki, amennyi az átlagos napenergia fluxus.) Ebből az következik, hogy több mint egy négyzetméter terület lenne szükséges egy ember élelmiszerszükségletének fedezésére, ennél jóval több a teljes energiaszükségletének kielégítésére, amely az élelmiszer fogyasztás tízszeresének megfelelő energiával egyenértékű. Nem is beszélve arról, hogy, például, az Egyesült Államokban az egy főre jutó energiafogyasztás az világátlag hatszorosa.
Fotoszintézis és biomassza
A fotoszintézis tipikusan a növényt érő napsugárzás egy százalékát hasznosítja. Ez persze függ a növény fajtájától és sok más tényezőtől, de leghatékonyabb gabonanövények hatékonysága sem haladja meg a 3%-ot. Ha figyelembe vesszük, hogy a Föld felszínének nagy része víz, hogy a felhők a beeső napsugárzás nagy részét visszaverik a világűrbe, hogy a szárazföld egy része sivatag illetve növényi vegetációra alkalmatlan, oda jutunk, hogy a fotoszintézis révén a beeső napsugárzás egy tized százaléka (ezredrésze) hasznosul. Vagyis biomassza formájában a Földön lévő növényzet az emberiség energiaszükségletének nagyjából tízszeresét tárolja. Ennek az energiaigénynek a kielégítésére a Földön lévő valamennyi növény egy tizedét be kellene gyűjteni. Noha ez elvileg lehetséges, a gyakorlatban számos probléma merül fel. Nézzük meg, hogy például, az Egyesült Államokban, ahol a fajlagos energiafelhasználás a világátlag hatszorosa, kb. 6000 m2 földterületre lenne szükség fejenként (valamivel nagyobb mint egy futballpálya), ha energiaigényt a fotoszintézisen alapuló biomasszából szeretnénk kielégíteni.
Szélenergia
Szélenergia formájában a Földet érő napsugárzás nagyobb részt képvisel, mint a biomassza, de sokkal nehezebb „betakarítani” mint a növényeket. Ott és akkor kell a szelet munkára fogni ahol és amikor fúj, különben elvész. Tehát a kérdés az, hogy mekkora földterületet kell szélkerekekkel betelepíteni a világ energiaszükségletének fedezésére, amihez az összes szélnek legalább egy százalékát kellene áramtermelésre felhasználni. Ez egy nagyon nehéz feladat. Először azért, mert a szél legnagyobb része nagy magasságokban fúj (néhány kilométer) és már százméteres magasságban sem könnyű a szelet munkára fogni. Vegyük például azt az esetet, amikor a szél heti hét napon át és napi 24 órán keresztül 20 mérföld óránkénti sebességgel fúj. Ez nagyjából egy négyzetméterre vetítve 0.5 kW energia-fluxusnak felel meg, amelynek jó esetben a felét lehet szélkerekekkel hasznosítani. Ilyen rendkívül kedvező széljárási viszonyok mellett is a világ teljes energiaigényének kielégítésére személyenként 8 négyzetméterről kellene a szelet munkára fogni. A Föld egész lakosságára vetítve ez 50 milliárd négyzetmétert tenne ki, ami akkora terület, amennyit az Egyenlítő mentén elhelyezett egy kilométer magas függöny fedne le.
Vízenergia
A vízenergia korlátját a Föld felszínén a víz párolgási sebessége jelenti, ami körülbelül évente egy tonna egy négyzetméterről. Ezt a párolgást a csapadék (eső és hó) egyenlíti ki. A csapadék kétharmada párolog el a szárazföldről és egy harmada jut vissza az óceánba. Tételezzük fel, hogy az összes a tengerekbe visszafolyó víz (1/3 tonna négyzetméterenként évente) 300 méter magas vízesésen megy keresztül, akkor az egy négyzetméterre 1/30 watt teljesítmény jutna, ami ugyan jelentős, de nem elegendő a világ jelenlegi energiaszükségletének fedezésére. Ugyanakkor a az a tény, hogy a csapadékvíz jelentős része folyókba gyűlik össze, a vízenergia hasznosítását kézenfekvővé teszi. Például az Amerikai Egyesült Államok egyik legnagyobb vízerőműve a Hoover Dam, hat hónap alatt annyi villamos energiát termel, amelynek bevétele elegendő lenne az építési költségekre. Ilyen megtérülésről az energiaszektor egyéb technológiái csak álmodhatnak. Másrészről az Amerikai Egyesült Államokban a vízerőművek össztermelése az utóbbi néhány évtizedben nem növekedett, ami azt mutatja, hogy a vízenergia hasznosítása közel jár a telítettségi szinthez. Fejlesztési potenciál a kisebb erőművek terén van még.
Geotermikus energia
A geotermikus energia nem a naptól függ, hanem a Föld belsejében a radioaktív elemek által kibocsátott nukleáris energiától. Mivel a Föld belseje néhány ezer fokos olvadt fémekből áll, a hő formájában rendelkezésre álló energia nagyságrendileg akkora, mint amennyit a Föld teljes belső méretével megegyező mennyiségű fosszilis fűtőanyagokból lehetne előállítani. Ez hatalmas mennyiség, de a Föld belsejében lévő energia nagyon lassan éri el a felszínt. Ha az energiaáramlás kifelé sokkal gyorsabb lenne, akkor a Föld már kihűlt volna. A földfelszínt elérő geotermikus energia 1/16 W négyzetméterenként. (Összehasonlításul: a napból 150 W jut egy négyzetméterre.). Ez az elméletileg rendelkezésre álló energia világátlagot tekintve az energiaszükséglet 60%-át teszi ki.
Közvetlen napsugárzás
A közvetlen napsugárzás az egyik legígéretesebb megújuló energiaforrás a helységek fűtésére. Az ablakon keresztül besütő napfény 30-szor hatékonyabb, mint a legjobb biomassza által megvalósított fotoszintézis. Napfényes környezetben egy jól megtervezett ház nagyon kevés fosszilis fűtőanyagot igényel a megfelelő hőmérséklet biztosítására. A hőenergia azonban nem szállítható sem közvetlenül, sem vezetéken. A napenergia farmok – villamos energia előállítására – szóba jöhető megoldások lehetnek, ha megfelelő nagyságú területeket lehet erre a célra bevonni. Ma még nehéz megítélni a valódi költségeket a napenergia farmok tömeges alkalmazása esetére, hiszen a föld, a nyersanyagok és a szükséges infrastruktúra ára élesen emelkedhet, ha hirtelen megnövekedik a kereslet.
A világ legnagyobb napenergia farmja Kaliforniában épül, ahol 9 millió napelemet helyeznek el egy 25 négyzetkilométeres területen. A teljes kiépítettség után a farm beépített teljesítménye550 MW lesz, a beruházási költséget 2.5 milliárd dollárra becsülik és a megtermelt villamos energia évente a tervek szerint eléri az 1.100 GWh-t. Ez nagyjából 23%-os kihasználtságnak felel meg. Ezzel a technológiával a világ fogyasztásának megfelelő mennyiségű energia megtermeléséhez a Föld 2%-át kellene napelemekkel beborítani.
Ár-apály
A dagályt a Föld forgása okozza, amelyben rengeteg energia rejlik. Azonban még a legjobb helyeken is, ahol naponta kétszer emelkedik meg a tenger szintje, mondjuk, tíz méterrel az egységnyi földterületre jutó felszabaduló energia kevesebb, mint ha 10 köbméter vizet ejtenénk le 10 méter magasról. Ez nagyjából 25 wattot jelent négyzetméterenként, ami lényegesen kevesebb, mint a közvetlen napsugárzás, noha egy nagyságrenddel meghaladja a legjobb fotoszintézist. Hozzá kell tenni, hogy ilyen tengerparti hely nagyon kevés van.
Gazdasági szempontok
Nem lehet tagadni, hogy a nap-, a szél-, a geotermikus és a vízenergia korlátozott mennyiségben piacképes lehet, ha hajlandóak leszünk valódi árukat megfizetni. A megújuló források valódi árába bele kell számítani annak a földterület árát, amelyet elfoglalnak. A földterület pedig nagyon megdrágulhat, ha a kereslet hirtelen megnövekedik. Erre jó példa az élelmiszerek gyors árnövekedése, miután a bioetanol kezdett egyelőre csak szerény mértékben elterjedni.