Biofysische grenzen: Opgevoerde entropie
WILLIAM OPHULS
Vertaling door Gertjan Cobelens van hoofdstuk 3 van Immoderate Greatness – Why Civilizations Fail, 2012
.
Bij de thermodynamica horen enkele van de meest fundamentele natuurwetten die de wetenschap kent. Deze wetten vormen een natuurlijke tirannie waartegen verzet zinloos is. Ze garanderen dat de ‘verovering’ van de natuur door de mens per definitie een pyrrusoverwinning is. Dus hoe zien die wetten eruit die de aanspraken van de mens op technologische dominantie zo resoluut terzijde schuiven?
De eerste hoofdwet van de thermodynamica stelt dat energie niet verloren kan gaan en altijd behouden blijft. Energie kan van vorm veranderen, maar noch uit het niets ontstaan noch vernietigd worden.
De tweede hoofdwet stelt echter dat chaos, willekeur en wanorde de neiging hebben toe te nemen. De maatstaf van deze chaos, willekeur en wanorde noemt men ‘entropie’. Simpel gezegd houdt dit in dat energie de neiging heeft tot steeds minder nuttige vormen te vervallen. Praktisch gezien betekent het dat elke energie-omzetting, van de ene vorm naar een andere, met verlies gepaard gaat. Zo’n conversie heeft weliswaar geen invloed op de totale hoeveelheid energie, maar wel op de kwaliteit van die energie.
In hun meest zuivere wetenschappelijke vorm hebben de wetten van de thermodynamica betrekking op energie als warmte, en op het eerste gezicht hebben ze weinig van doen met het leven van alledag. Maar in werkelijkheid beheersen ze elk aspect van de natuurlijke en menselijke economieën. Er is namelijk energie voor nodig om arbeid te verrichten, om de omzetting van materie of energie van de ene vorm naar de andere te bewerkstelligen, en al deze conversies gaan gepaard met verliezen die voortvloeien uit de tweede hoofdwet. Daarom spreekt men bij de tweede wet soms ook van de entropiewet.
Een andere manier om die tweede hoofdwet te formuleren is door vast te stellen dat materie-energie-conversies onomkeerbaar zijn; de pijl van de tijd vliegt slechts één kant op. Dus toen Humpty Dumpty, het aangeklede ei uit het beroemde Engelse kinderliedje, van zijn muur tuimelde, waren ‘all the king’s horses and all the king’s men’ niet bij machte hem weer in elkaar te zetten. Zijn materiële ‘energie’ was onherroepelijk verloren gegaan.
Hetzelfde gaat op voor een ijsblokje dat in je frisdrank smelt. De ‘koude-energie’ die in het blokje zit opgeslagen gaat in de omgeving verloren. En uiteraard geldt datzelfde omgekeerd ook voor warme objecten. Zo ‘verstraalt’ de zon langzaam maar zeker haar geconcentreerde energie. Over pakweg vijf miljard jaar heeft ze al haar brandstof opgebruikt en vervaagt ze tot een gloeiend kooltje.
Om kort te gaan, over langere tijd gemeten beweegt energie onverbiddelijk bergafwaarts en gaat ze van een nuttiger, hoger geconcentreerde staat over in een minder nuttige of diffuse toestand. Deze beweging heet entropie.
Het is dus voor de mens: liever weinig dan veel entropie.
.
Ongelukkigerwijs voeren beschavingen de entropie juist op. Neem bijvoorbeeld de landbouwproductie, de basis van de beschaving. Al geeft het woord productie hier een verkeerde voorstelling van zaken, want wat in werkelijkheid gebeurt is dat de mens de toplaag ontgint. De ongerepte bodem vormt een complex ecosysteem dat zich in de loop van millennia ontwikkeld heeft en dat binnen een zeer specifieke fysieke structuur een breed palet aan chemische elementen en biologische levensvormen bevat.
De mens breekt in deze ecologische climax in om profijt te trekken van de rijke energievoorraad die de toplaag bevat. Het product is voedsel voor menselijke consumptie – maar het bijproduct is erosie, bodemverdichting, uitloging en andere schade aan de vitaliteit en integriteit van de bodem. En de nutriënten in het voedsel worden doorgaans niet aan de bodem teruggeven, maar in wc’s en riolen weggespoeld, van waaruit ze naar rivieren en oceanen worden afgevoerd om nooit meer op te duiken (behalve dan in de negatieve vorm van vervuiling). En dus is de entropie van het systeem toegenomen. Dit ontginnen heeft de rijkdom van de oorspronkelijke toplaag aangetast of zelfs geërodeerd en ook het bredere milieu verarmd.*
Door de eeuwen heen hebben boeren geleerd om de ernstigste entropische uitwassen van de landbouw met uiteenlopende methoden tegen te gaan: gewasrotatie, terrasbouw, bemesting, land braak laten liggen, enz.
Deze ingrepen vertragen inderdaad het degradatieproces. En onder de juiste omstandigheden is het zelfs mogelijk om systemen van duurzame landbouw te ontwerpen die de entropische verliezen tot een minimum beperken. Maar dergelijke systemen zijn noodgedwongen arbeidsintensief, uitgesproken conservatief en vertonen vaak meer overeenkomsten met kleinschalige tuinbouw dan met ons gebruikelijke idee van landbouw. Zo waren traditionele rijstboeren in sommige delen van Azië bijvoorbeeld in staat om een relatief stabiele, kunstmatige agrarische climax te bereiken (onder meer door menselijke uitwerpselen te gebruiken).*
In de meeste gevallen zijn de omstandigheden echter minder gunstig. En omdat beschavingen gewoonlijk niet alleen qua bevolking toenemen, maar ook in termen van eetlust, zal bovendien ook de vraag naar landbouwproducten in de toekomst alleen maar stijgen. Aangezien het land in zijn natuurlijke staat niet bij machte is in deze toenemende vraag te voorzien, moet er externe energie aan worden toegevoegd om de opbrengsten kunstmatig op te krikken. Naarmate de hoeveelheid energie per eenheid product stijgt, neemt dus ook de entropie verder toe.
Deze ontwikkeling bereikt zijn hoogtepunt in de geïndustrialiseerde landbouw, een biologische machine die olie in een verhouding van 10 staat tot 1 in calorieën omzet.* Met andere woorden, de entropische prijs die de moderne mens voor zijn bordje pap betaalt, is de degradatie van ten minste tien keer zoveel energie als in de pap zelf vervat zit.
De permacultuur benadert dit op een betere manier.
.
Neem nu een van die andere grote uitvindingen van de beschaving: het bad. Of het nu om een Romeinse therm, een Arabische hamam of een traditionele Japanse furo gaat, ze werden allemaal met hout verwarmd. Bij dit proces ging het overgrote deel van de energie in het hout verloren. Dat wil zeggen, die energie werd omgezet in rook, as en warmte – waarvan een deel ook daadwerkelijk het water verwarmde, maar die verder merendeels door de schoorsteen verdween. En net als de kou van het ijsblokje in de frisdrank, ging ook de nuttige warmte in het badwater al snel in de atmosfeer verloren.
Tel daarbij op dat het ook nog eens materie en energie heeft gekost om de baden te bouwen en te onderhouden (om nog maar te zwijgen van de aanleg van aquaducten en wegen en andere ondersteunende infrastructuur), en de conclusie luidt dat het creëren van de voorziening die de beschaving boven barbaarsheid heeft uitgetild, gepaard is gegaan met de omzetting van geconcentreerde energie en materie in nutteloos afval, terwijl er en passant maar een greintje nuttige arbeid uit gepeurd werd.
Een hedendaags voorbeeld kan dit punt concreter illustreren en tegelijk ook duidelijk maken waarom technologie niet tot in het oneindige de grenzen kan oprekken die de thermodynamica ons stelt. Als we steenkool verstoken om elektriciteit op te wekken, wordt in de nieuwste centrales grofweg 45 procent van de energie in de steenkool (zoals al aanwezig op de centrale) omgezet in elektrische energie. De overige 55 procent bestaat uit restwarmte, verschillende gassen (zoals koolstofdioxide), chemicaliën (zoals zwavelzuur), fijnstof en as. En ook de elektriciteit verspreidt zich na gedane arbeid als restwarmte in het milieu.
Vanuit het oogpunt van een natuurkundige is er sprake van een sluitende balans – er is nog net zo veel energie en materie in het systeem als daarvoor – maar wat overblijft is van een aanzienlijk lagere kwaliteit. Wat hieruit volgt is dat voor elke eenheid ‘opbrengst’ die de mens met deze technologie produceert, hij tegelijk royaal meer ‘verlies’ voortbrengt – en zelfs die opbrengst is slechts vluchtig.
Kunnen we dit niet verbeteren? Ja, maar niet zo veel als we zouden willen. Kijken we naar systemen in het algemeen, dan is een winst-verliesverhouding van 45 tegenover 55 eigenlijk heel goed. Een verhouding van 1 staat tot 10, zoals in de intensieve landbouw, is in niet-mechanische systemen namelijk veel gebruikelijker. En verbeteringen in mechanische systemen botsen al snel op afnemende meeropbrengsten (wat wil zeggen dat er een sprong naar een hele nieuwe technologie voor nodig is om substantiële vooruitgang te boeken).
Om terug te keren naar ons voorbeeld: het opwekken van elektriciteit met kolengestookte centrales is een volwassen technologie, dus veel thermodynamische winst zit er niet meer in. En zelfs een toverstaf zou in dit geval geen uitkomst brengen. Volmaakte efficiency is namelijk onmogelijk, want dat zou neerkomen op een perpetuum mobile, op eeuwigdurende beweging, hetgeen de entropiewet uitsluit. Maar zelfs al zouden we in staat zijn de efficiency op te krikken naar het thermodynamische maximum van 77 procent, dan houdt dat nog niet eens een verdubbeling in – en zelfs een verdubbeling koopt ons, zoals we uit de inleiding bij de rubriek economie weten, slechts een minuut exponentiële tijd.
Fossiel is het nu één minuut voor twaalf.
.
Daar komt nog bovenop dat technologische verbeteringen de thermodynamische kosten juist opvoeren. Neem bijvoorbeeld de vervanging van het paard door de auto. Het ‘produceren’ van een paard vereist slechts een bescheiden investering in weideland, water en veevoeder voor de twee à drie jaar die het duurt voordat het paard kan werken. De productie van een auto vergt daarentegen niet alleen de nodige directe inputs – staal, koper, brandstof, water, chemicaliën, enz. Het vergt ook verschillende indirecte inputs – een fabriek en een beroepsbevolking zowel als de grondstoffen en energie die nodig zijn om beide in stand te houden.
Technisch gesproken is de totale hoeveelheid verbruikte energie die in de auto zit opgeslagen (de embodied energy) veel groter dan bij een paard het geval is. En bovendien liggen ook de thermodynamische kosten van het autogebruik veel hoger. Een paard stelt zich tevreden met wat hooi, water en haver, dat zonder al te veel problemen lokaal kan worden verbouwd.
Een auto vereist daarentegen oliebronnen, raffinaderijen, tankers, tankstations, garages, enz. Dat wil zeggen, een auto vereist zowel een breed spectrum aan directe inputs, die ingewikkeld en duur zijn om te verkrijgen, als een hele reeks indirecte uitgaven. Kortom, de vervanging van het paard door de auto mag ons vele voordelen hebben gebracht, de thermodynamische prijs ervan is hoog.
Dat geldt evenzeer voor de technologische sprong waarvan de computer de representant is. Hoezeer de pleitbezorgers ervan ook geloven dat IT het instrument is dat de mensheid voor eens en voor altijd van de tirannie van de natuur zal bevrijden, toch vertelt een korte blik op de enorme hoeveelheid embodied energy, die in elke computer en zijn ondersteunende systemen vervat zit, een heel ander verhaal – om nog maar te zwijgen van alle energie die nodig is om de netwerken te laten draaien.
Het idee dat technologie ons in staat stelt om almaar meer met almaar minder te doen, is een misvatting. Hoe meer de mensheid zich op technologie verlaat, hoe hoger ze de entropie opvoert (en andere problemen voortbrengt die we in het openingsartikel bij de rubriek complexiteit zullen behandelen).
Cruciaal hierbij is dat we inzien dat technologie als zodanig geen energiebron is. Dat wil zeggen, technologie is slechts een middel waarmee energie arbeid kan verrichten, of waarmee de ene energiebron in een andere kan worden omgezet. Zo kunnen we steenkool bijvoorbeeld naar benzine converteren – maar alleen tegen een hoge thermodynamische prijs, aangezien een groot deel van de potentiële energie in de steenkool in het conversieproces verloren gaat.
Ook kan technologie de conversie van energie efficiënter laten verlopen – zij het, zoals we hebben gezien, slechts tot op zekere hoogte. (En staat daar tegenover dat efficiencywinsten vaak teniet worden gedaan door een toegenomen vraag, een fenomeen dat bekend staat als de paradox van Jevons.)
Op eenzelfde manier kan technologie ervoor zorgen dat energiebronnen beschikbaar komen – maar uitsluitend door zelf energie te investeren om ze te kunnen vinden en te exploiteren.
Technologie kan dus geen energie uit het niets tevoorschijn toveren. Integendeel juist. In laatste instantie is technologie altijd afhankelijk van het energieaanbod. Loopt de kwaliteit of de kwantiteit van dat aanbod terug, dan neemt ook de kracht van de technologie evenredig af.
Hoeveel embodied energy zit in de fossiele infrastructuur en hoeveel energie kost een duurzame infrastructuur?
.
Technologie is (ook nog eens) afhankelijk van de energiedichtheid. De totale hoeveelheid beschikbare energie is duizelingwekkend groot, maar slechts een bescheiden deel daarvan is in geconcentreerde vorm beschikbaar.
Dat is het mooie van fossiele brandstoffen. Die zijn het energierijke restant van zonne-energie dat vele miljoenen jaren terug in de vorm van organisch materiaal in de aardkorst begraven is en aan gigantische hoeveelheden geologische warmte en druk is blootgesteld. Met een dergelijke hooggeconcentreerde energiebron kan technologie wonderen verrichten omdat die energie in thermodynamisch opzicht een heel eind bergafwaarts kan. Het gaat van een hoge energiedichtheid naar een lage (en levert daartussen veel nuttige arbeid). Dus gaat het bijvoorbeeld van steenkool naar elektriciteit en restwarmte.
Andersom gebeurt het niet. Diffuse, verstrooide energie kan juist veel minder arbeid verrichten. Dit stelt dus een grens aan wat de technologie vermag. Zonnestralen zijn bijvoorbeeld heel bruikbaar om huishoudens mee van warm water te voorzien, maar minder geschikt om grote elektriciteitscentrales op te laten draaien.
Technologie kan deze diffuse energie weliswaar concentreren, maar uitsluitend door in thermodynamische zin bergopwaarts – van een lage energiedichtheid naar een hoge – te bewegen. Wil je een idee van de uitdaging krijgen, denk dan eens aan wat er allemaal voor nodig zou zijn om de pakweg 15 duizend ton goud te winnen die in opgeloste vorm in het zeewater zit. Hoewel dat technisch best mogelijk is, zijn de kapitaal- en energie-investeringen om atomen in goudbaren te bundelen zo immens dat het een onbegonnen zaak is.
Een van de beste manieren om de relatie tussen energie, entropie en technologie te begrijpen, is door economische systemen in termen van hun netto-energie te bestuderen. Dat wil zeggen, door te kijken hoeveel energie er overblijft nadat de (energetische) kosten van de conversie ervan zijn afgetrokken. De technische term is ‘energierendement op investering’ of EROI (ook wel energierendement op energie-investering, of EROEI).
Zoals we gezien hebben is het energierendement op industriële landbouw slecht: het kost tien eenheden energie om er eentje te produceren. Het rendement op andere technologieën laat zich lastiger berekenen. Hoe kwantificeer je bijvoorbeeld de voordelen van de auto in relatie tot de zeer hoge entropische kosten die hij met zich meebrengt, behalve door vast te stellen dat het paard in thermodynamische termen veel minder duur is?
In sommige gevallen is deze relatie echter wel kwantificeerbaar. Ooit was het mogelijk om met het energie-equivalent van een vat olie een opbrengst van soms wel honderd vaten te realiseren – anders gezegd, die olie had een EROI van 100:1. Maar deze verhouding is inmiddels gedaald naar grofweg 15:1 en is gedoemd nog verder terug te lopen nu de olie die ons resteert zich steeds lastiger, met almaar meer gevaar en tegen voortdurend hogere kosten laat winnen en raffineren.*
Waaruit volgt dat het bij energie niet primair draait om de kwantiteit van de bron. Een miljard vaten olie ergens in de bodem klinkt als een heleboel, maar als er een half miljard vaten voor nodig zijn om die olie te winnen en te raffineren, dan houd je aan netto-energie slechts een half miljard vaten over en is het EROI niet meer dan 2:1.
Op een gegeven moment wordt het EROI zo laag, dat een samenleving van de ‘energieklif’ duikelt.
.
Dat het in laatste instantie om de kwaliteit draait en niet om de kwantiteit, vertekent ook het hedendaagse debat over wat piekolie wordt genoemd. Een beschaving die afhankelijk is van fossiele brandstoffen mág zich zorgen maken over het moment waarop de maximale hoeveelheid olie gewonnen is, omdat dan een onomkeerbare afname volgt. Maar ze móet zich zorgen maken over de onverbiddelijke trend richting een dalend EROI en de almaar hoger oplopende monetaire en ecologische kosten van de winning.
Nieuwe ontdekkingen en technologische verbeteringen kunnen die winning op de korte termijn weliswaar opstuwen, maar het is niet erg productief om die juichend in te halen als de ontzenuwing van het piekolieconcept en tegelijkertijd de langetermijntrend richting een dalende netto-energie buiten beschouwing te laten. (Daar komt nog bij dat gezien de exponentiële groei van de vraag zelfs ‘mammoetontdekkingen’ slechts van betrekkelijk belang zijn.)*
Ook voor het ‘alternatief’ van veel ‘onconventionele’ olie- en gasprojecten zijn de perspectieven niet hoopvol, omdat daar de wet van het minimum van toepassing is (zie de inleiding bij de rubriek ecologie, aflevering 4). Voor de winning zijn bijvoorbeeld vaak grote hoeveelheden water nodig, en water begint nu al schaars te worden.
De wereld heeft ook een begin gemaakt met het vervangen van fossiele brandstoffen door diverse vormen van zonne-energie. Maar het netto-energierendement van de laatste is nog aan de lage kant. Daarom zijn de verwachtingen om zonne-energie te winnen op een schaal die voorziet in de huidige vraag (en helemaal in de toekomstige groei) veel te hoog gespannen. De EROI bij duurzame energie valt tegen en de kapitaalkosten zijn immens.
Nogmaals, tenzij het simpelweg een kwestie is van het oprapen van gevonden natuurlijke rijkdommen, is technologie geen wondermiddel. Bij elke stap voorwaarts wordt ze door de wetten van de thermodynamica dichter op de hielen gezeten.
De impact van de entropiewet op het menselijk wel en wee laat zich wellicht het best illustreren aan de hand van een fiscale analogie. De natuur houdt er in feite een bijzonder stringent belastingstelsel op na. Zelfs het stelsel van de nadagen van het Romeinse Rijk – toen burgers en masse de steden ontvluchtten om aan de fiscus te ontkomen – was daarmee vergeleken slap. Want elke materie-energie-transactie gaat in de natuur met een aanslag gepaard die de waarde van de transactie zelf ruimschoots overstijgt. Zo belast de natuur de conversie van steenkool naar elektriciteit met een tarief van maar liefst een paar honderd procent.
Die belasting wordt echter meestal aan het oog onttrokken en zelden onmiddellijk geïnd. Anders geformuleerd, sommigen plukken de vruchten van de transactie en slagen erin de kosten op anderen af te wentelen: andere klassen, generaties, soorten en plekken draaien voor de belasting op.
Vandaar dat beschavingen de tendens vertonen om zich in weerwil van een steeds hoger oplopende thermodynamische schuldenlast te blijven ontwikkelen. Al breekt echter ooit het moment aan dat de fiscus de rekening presenteert. Op dat moment houdt de ‘vooruitgang’ op te bestaan en bevindt de beschaving zich in een benarde positie.
Kunnen we duurzaam onze levensstijl behouden, dat is de hamvraag.
.
De beschaving zit gevangen in een thermodynamische vicieuze cirkel waaruit ontsnappen nagenoeg onmogelijk is. Hoe grootser de beschaving, hoe meer burgers produceren en consumeren. Hoe meer burgers produceren en consumeren, hoe hoger de entropie oploopt. Hoe langer de economie zich blijft ontwikkelen, hoe meer uitputting, verval, degradatie en wanorde zich in het systeem als geheel ophopen, ongeacht hoeveel voordelen dit op de korte termijn ook met zich meebrengt.
Afhankelijk van verschillende factoren – de kwaliteit en kwantiteit van de beschikbare natuurlijke hulpbronnen, het niveau van de technologische en bestuurlijke competentie, om er een paar te noemen – kan dit proces korter of langer voortduren, maar nooit oneindig. Net als op ecologisch vlak heeft een beschaving op zeker moment haar thermodynamisch ‘krediet’ opgebruikt en begint ze te imploderen.
De enige uitweg is de beschaving zo radicaal te transformeren dat de menselijke economie op die van de natuur begint te lijken. In termen van thermodynamica is de natuur bijzonder efficiënt. De constante stroom zonne-energie wordt niet slechts geconsumeerd, maar ook gebruikt om er een rijke en diverse kapitaalvoorraad mee aan te leggen. Wat technischer geformuleerd, de natuur internaliseert de thermodynamische kosten en gebruikt dezelfde materie en energie steeds weer opnieuw teneinde een maximale hoeveelheid leven uit een minimale hoeveelheid energie te wringen.
Ook al is het voor de menselijke economie in theorie mogelijk om de natuurlijke economie na te bootsen, dat vraagt wel om een radicale transformatie van het begrip beschaving zoals we dat nu kennen.*
Samenlevingen zouden intern veel fijnmaziger en hechter verstrengeld moeten raken, net zoals in natuurlijke ecosystemen het geval is. En burgers zouden zich een forse inperking van hun wil en verlangens moeten laten welgevallen – dat wil zeggen, burgers zouden zich moeten onderwerpen aan krachtige negatieve terugkoppelingen zoals natuurlijke ecosystemen die kennen. Maar zelfs al zou zo’n bijenkorfachtig bestaan acceptabel gevonden worden – wat een kwestie van ethiek is – dan nog moeten we ons afvragen of de mens over de bestuurlijke capaciteiten beschikt om een dergelijke manier van samenleven te bestendigen. Want dit vergt zonder meer een vooruitziende blik.
Om daar meer over te kunnen zeggen, richten we ons op de vierde biofysische grens waarmee beschavingen geconfronteerd worden: het probleem van complexiteit.
Duurzame energie alleen is dus als alternatief niet genoeg.
“Als iemand je erop wijst dat je favoriete theorie van de kosmos strijdig is met de Maxwell-vergelijkingen – pech voor de Maxwell-vergelijkingen. Als iemand je erop wijst dat je theorie strijdig is met wat je waarneemt – dan ligt dat waarschijnlijk aan knoeiwerk bij het experiment. Maar als je theorie indruist tegen de tweede hoofdwet van de thermodynamica, dan kan ik je helaas geen hoop geven; er blijft alleen een smadelijke aftocht voor je theorie over.”