Tuesday, 26 January 2016

Nuclear or Renewable? A standoff that wasn’t

Case study by Tom Blees, President of the Science Council for Global Initiatives (SCGI)

Cairo, Egypt— January 26th, 2016
Faced with the double challenge of balancing their energy supply against the needs of growing populations and maintaining economic growth at a minimum cost to the environment, many countries are increasingly looking for sustainable energy sources. According to the International Energy Agency’s World Energy Outlook published in 2015, by 2040 nearly half of the world's electricity will be generated through low-carbon technologies. The fast-growing economies of the Middle East are no exception to this trend, with countries such as the UAE, Saudi Arabia, Jordan and others already making the first steps towards switching away from hydrocarbons.

One dilemma these countries almost inevitably face is the choice between the various energy options in their energy portfolio. Nuclear and renewable would seem the frontrunners here, both having become quite widespread in many parts of the world, including the Middle East, and both having their supporters and detractors. Countries in the Middle East, where nuclear development is rapidly taking hold and wind and solar resources abound all year round, on the one hand, would seem uniquely placed to compare the relative uses and efficiency of nuclear and renewable energy in meeting the region’s needs.

On the other hand, it could be argued that this way of looking at nuclear and renewable energy as a dichotomy is fundamentally flawed and does not take into account the very different nature of these technologies. This is the view shared by many energy experts.

Putting nuclear and renewable energy side by side is ‘really an apples and oranges comparison because renewables aren’t reliable and they are only able to provide a fraction of the energy that is needed, so you always have to build so-called backup capacity, which actually provides more energy than renewables in every case, and you have to supply enough backup capacity to meet peak demand for times that both wind and solar are producing nothing or next to nothing.’

Perhaps the best way to look at nuclear and renewable energy is through the crucial concept underlying the functioning of modern economies with regard to power – base load. Base load refers to the minimum level of demand on an electrical supply system over 24 hours, and is required for industries to operate properly 24/7/365, where blackouts can result in structural and financial damage worth billions of dollars. It therefore follows that base load has to be reliable and predictable and needs a stable source of power. That’s where renewable energy falls short.

For one thing, renewable sources of energy are notoriously unreliable: their output is linked directly to weather conditions and other external factors and is referred to as intermittent power. Even in countries that enjoy plenty of sun and wind throughout the year, wind can only achieve a net capacity factor of roughly 25 percent and photovoltaic solar is even less at only 20 percent or less whereas newer generation nuclear power plants can now achieve a net capacity factor in excess of 92 percent.

Another issue with renewable energy sources is their economic viability. According to “The Net Benefits of Low and No-Carbon Electricity Technologies” research published by Brookings Institution in 2014, solar and wind facilities suffer from a very high capacity cost per megawatt, very low capacity factors and low reliability, which result in low avoided emissions and low avoided energy cost per dollar invested. Expensive to install and with a relatively short service life, they require substantial government subsidies to provide any significant power output, which, furthermore, cannot be stored economically.

Thus, the power derived from renewable energy is too expensive per kilowatt-hour to be really competitive, especially when compared to the electricity prices made possible by the latest technological offerings from such global nuclear players as China, South Korea and Russia.

Huge demand for baseload power also means considerable stress on the environment. With renewable being unable to provide a stable source of baseload power, the only feasible alternative to nuclear is coal – which is bad news for the environment as coal ash is actually more radioactive than nuclear waste. Take Germany, whose government’s decision to abandon nuclear power has led to an annual increase in CO2 emissions by 28 million tons. The economic load of abandoning nuclear power is also likely to be enormous – the cost of replacing nuclear power with wind and solar is estimated at over three trillion euros, with no guarantee this will in fact help reduce emissions.

In terms of load following, nuclear also has the edge in agility and adjustability: unlike renewable energy facilities, which cost a lot to install and cannot be switched on and off to follow the demand, nuclear power plants, once built, can be allowed to remain online, as demonstrated by the example of France, which has been implementing nuclear load-following for decades. Newer nuclear plant designs are even more versatile in load-following roles.

Blees sees the progressing development of nuclear programmes in the Middle East as proof of nuclear power’s competitive potential for the region. ‘The fact that the UAE and other countries that have almost constant sun and who have plenty of money to have really good advisors to advise them on what type of power plants to build are building nuclear power plants pretty much tells the story that, even in the most perfect environments, solar power still isn’t competitive with nuclear.’

This doesn’t mean, however, that renewable energy does not have its uses, which brings us to the third kind of power plant after baseload and load-following ones – peak power plants. While peak power remains more expensive per kilowatt-hour than base load, it is necessary to satisfy demand for electricity when it’s at its highest. Solar energy in particular can go some way towards meeting that demand as, in many countries, sunny afternoon hours more or less coincide with peak times for the load on the power grids.

If the competition between nuclear and renewable energy is to have any resolution it’s that it shouldn’t exist in the first place. Both are cleaner than hydrocarbon-based energy sources, and both have their applications that are meant not to compete with but to complement each other: nuclear has the capacity to efficiently supply baseload power; renewables can sometimes supplement demand for peak power– all to the benefit of economies that have mastered their use. 
دراسة علمية عن الأستاذ/ توم بليس، رئيس المجلس العلمي للمبادرات العالمية – وهى منظمة دولية غير حكومية تتألف من العلماء والمهندسين الذين شاركوا في أنظمة الطاقة المتطورة  
الطاقة النووية أم المتجددة؟ المواجهة التي لم تكن
القاهرة في 26 يناير 2016  
تواجه العديد من البلدان تحديا مزدوجا يتمثل في تحقيق التوازن بين توفير الطاقة مقابل احتياجات السكان المتزايدة من جهة والحفاظ على النمو الاقتصادي بأقل تكلفة للبيئة من جهة أخرى، لذلك فهم يبحثون بشكل متزايد عن مصادر الطاقة المستدامة. وفقا لتوقعات الوكالة الدولية للطاقة التي نشرت في عام 2015، بحلول عام 2040 تقريبا، سيتم توليد نصف كهرباء العالم من خلال تقنيات منخفضة الكربون. الاقتصادات سريعة النمو في الشرق الأوسط ليست استثناء لهذا الاتجاه، هناك دول مثل الإمارات العربية المتحدة والمملكة العربية السعودية والأردن وغيرها، تخطوا الخطوات الأولى نحو التحول بعيدا عن الهيدروكربونات.

حتما، يوجد هناك معضلة تواجه هذه الدول الا وهي الاختيار بين مختلف مصادر الطاقة، فهنالك منافسة قائمة ما بين الطاقة النووية والطاقة المتجددة ، بعد أن أصبحتا معروفتين على نطاق واسع جدا في أجزاء كثيرة من العالم، بما في ذلك منطقة الشرق الأوسط، ويوجد لهما المؤيدين والمنتقدين على حد سواء. ومن الواضح أنه في دول الشرق الأوسط حيث يتزايد الاهتمام في التطور النووي  وهي كذلك تمتلك مصادر الطاقة سواء الرياح أو الطاقة الشمسية، في هذه الدول تجدرالمقارنة بين الاستخدامات النسبية والكفاءة لمصادر الطاقة النووية والطاقة المتجددة،لتلبية احتياجات المنطقة. ومن جهة أخرى، يمكن القول أن هذه الطريقة في النظر الى الطاقة النووية والمتجددة كنقيضين مختلفين هي غير مقبولة جوهريا ولا تأخذ بعين الاعتبار الطبيعة المختلفة لهذه التقنيات.

أن المقارنة ما بين مصادر الطاقة النووية والمتجددة هو حقا كالمقارنة ما بين "التفاح والبرتقال لأن الطاقة المتجددة لا يمكن الاعتماد عليها وأنها قادرة على توفير جزء من الطاقة المحتاج اليها. ولهذا يجب أن يتم بناء  قدرة احتياطية دائما، والتي توفر في الواقع المزيد من الطاقة أكثر من مصادر الطاقة المتجددة في كل حالة، ويجب أن يتوافر لدينا المزيد من القدرة الاحتياطية لتكون كافية لتوفير الطلب وقت الذروة خاصة في الأوقات التي لا تنتج فيها  الرياح والطاقة الشمسية أي شيء تقريبا."
ولعل أفضل طريقة للنظر الى الطاقة النووية والطاقة المتجددة هو من خلال مفهوم بالغ الأهمية يتعلق بالاقتصادات الحديثة بالنظر الى الطاقة - الحمل الأساسي. يشير الحمل الأساسي إلى الحد الأدنى من الطلب على نظام التيار الكهربائي على مدى 24 ساعة، وهو مطلوب للصناعات لتعمل بشكل فعال لمدة 24 ساعة طوال العام، حيث يمكن أن يؤدي انقطاع التيار الكهربائي إلى تلف هيكلي ومالي بقيمة مليارات الدولارات. مما يعني أنه يجب أن يكون الحمل الأساسي يمكن الاعتماد عليه ويمكن تقدير وضعه وهو يحتاج الى مصدر مستقر للطاقة، وهنا تصبح الطاقة المتجددة غير مقبولة.

وهنالك أمر رئيسي يجعل مصادر الطاقة المتجددة يصعب الاعتماد عليها بشكل ملحوظ: هو ارتباط إنتاجها مباشرة بأحوال الطقس وغيرها من العوامل الخارجية، حتى انه يشار إليها بمصطلح الطاقة المتقطعة. حتى في البلدان التي تتمتع بوفرة من الشمس والرياح على مدار السنة، يمكن للرياح تحقيق صافي عامل قدرة يقارب 25%، والطاقة الشمسية توفر ما يقارب 20% أو أقل، في حين أن الجيل الأحدث لمحطات الطاقة النووية يمكنه الآن تحقيق قدرة صافية لما يزيد عن 92%.

مشكلة أخرى تواجهها مصادر الطاقة المتجددة هي الجدوى الاقتصادية. وفقا ل "الفوائد النهائية لتكنولوجيات قليلة أو عديمة الكربون" البحوث التي نشرها معهد بروكينغز في عام 2014، تعاني مرافق الطاقة الشمسية وطاقة الرياح من تكلفة عالية جدا لكل ميجاوات، ومن عوامل انخفاض القدرة وامكانية الاعتماد عليها، مما يؤدي إلى انخفاض تجنبها للانبعاثات وانخفاض تكاليف الطاقة لكل دولار مستثمر. وهي مكلفة بالتركيب ولها حياة خدمة قصيرة نسبيا ، وهي تتطلب دعم حكومي كبير لانتاج كمية كبيرة من الطاقة، والتي علاوة على ذلك، لا يمكن تخزينها بصورة اقتصادية.

وهكذا، فإن الطاقة المستمدة من الطاقة المتجددة مكلفة للغاية لتكون قادرة على المنافسة حقا، لا سيما بالمقارنة مع أسعار الكهرباء التي أصبحت متوفرة بفضل أحدث العروض التقنية من قبل المصادر النووية العالمية مثل الصين وكوريا الجنوبية وروسيا.

الطلب الكبير على طاقة الحمل الأساسي يعني أيضا ضغطا كبيرا على البيئة. ولكون الطاقة المتجددة غير قادرة على توفير مصدر ثابت للحمل الأساسي، فإن البديل الوحيد الممكن للطاقة النووية هو الفحم - وهي ضارة للبيئة حيث أن رماد الفحم هو في الواقع أكثر إشعاعا من النفايات النووية. ولنأخذ ألمانيا على سبيل المثال، قررت حكومتها التخلي عن الطاقة النووية، مما  أدى إلى زيادة سنوية في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بقيمة 28 مليون طن. وبهذا سيكون من المرجح أن يتأثر الاقتصاد نتيجة لذلك  بصورة هائلة - وتقدر تكلفة استبدال الطاقة النووية مع الرياح والطاقة الشمسية بأكثر من 3 ترليون يورو، مع عدم وجود ضمانة على امكانية تقليل الانبعاثات.

من حيث تواصل الحمل، الطاقة النووية أيضا لديها ميزة قابلية الحركة والتعديل: خلافا لمرافق الطاقة المتجددة التي تكلف الكثير لتركيبها، ولا يمكن تشغيلها و توقيفها بناء على الطلب، أما عند بناء محطات الطاقة النووية، فمن الممكن أن تبقى دائما عاملة، وكما يظهر على سبيل المثال في فرنسا، التي تعتمد على تواصل الأحمال بالطاقة النووية لعدة عقود. علما بأن محطات الطاقة النووية حديثة التصميم مجهزة بصورة أفضل لتواصل الأحمال.

أن التطور التدريجي لبرامج الطاقة النووية في الشرق الأوسط دليل على إمكانيات الطاقة النووية التنافسية للمنطقة. "حقيقة أن دولة الإمارات العربية المتحدة وغيرها من البلدان التي لديها طاقة شمسية ثابتة تقريبا، ولديهم الكثير من الأموال ليكون لديهم مستشارين جيدين لتقديم المشورة لهم
على أي نوع من محطات توليد الطاقة للبناء، هم يبنون محطات الطاقة النووية، مما يوضح بأنه حتى في أكثر البيئات المثالية، فان الطاقة الشمسية لا تزال غير قادرة على المنافسة مع الطاقة النووية."

هذا لا يعني أن الطاقة المتجددة لا يوجد لديها استعمالاتها، وهو ما يقودنا إلى نوع ثالث من الطاقة. في حين أن الطاقة في ساعات الذروة لا تزال تكلف أكثر لكل كيلوواط في الساعة من الحمل الأساسي، من الضروري تلبية الطلب على الطاقة الكهربائية عندما تكون في أعلى مستوياتها. الطاقة الشمسية على وجه الخصوص يمكن أن تلبي هذه الاحتياجات، في كثير من البلدان في ساعات بعد الظهر المشمسة.

وعليه لا ينبغي أن يكون هنالك منافسة بين الطاقة النووية والطاقة المتجددة في المقام الأول. كلاهما أنظف من مصادر الطاقة القائمة على مصادر الطاقة الهيدروكربونية، وكلاهما يوجد لديها تطبيقات تهدف الى تكملة وليس منافسة بعضهما البعض: الطاقة النووية لديها القدرة على توفير طاقة الحمل الأساسي؛ مصادر الطاقة المتجددة توفر أحيانا متطلبات الطاقة ساعات الذروة؛ وكل ذلك يمكن أن يعود بفوائد اقتصادية لكل من أتقن استعمالها.