Hur bildas fossila bränslen, varför släpper de ut koldioxid och hur mycket av världens energi ger de? Och vilka är de förnybara energikällorna som skulle kunna ersätta fossila bränslen?

Fossila bränslen bildades under miljontals år från resterna av växter och djur som fångades i sediment och sedan omvandlades av värme och tryck.

Det mesta kolet bildades under karbonperioden (360–300 miljoner år sedan), en ålder av groddjur och stora sumpiga skogar. Fossilisering av träd flyttade enorma mängder kol från luften till underjorden, vilket ledde till en minskning av atmosfärens koldioxidnivåer (CO₂) - tillräckligt för att föra jorden nära ett helt fruset tillstånd.

Denna förändring i klimatet, i kombination med utvecklingen av svampar som kunde smälta död ved och släppa ut sitt kol tillbaka till luften, gjorde att den kolbildande perioden tog slut.

Olja och naturgas (metan, CH₄) bildades på liknande sätt, inte från träd utan från havsplankton, och under en längre period. Nya Zeelands oljefält Maui är relativt ungt, med anor från eocenen för cirka 50 miljoner år sedan.

Brännande begravt solsken

När fossila bränslen förbränns reagerar deras kol med syre och bildar koldioxid. Den energi som solen ursprungligen tillhandahöll, lagrad i kemiska bindningar i miljontals år, frigörs och kolet återgår till luften. Ett enkelt exempel är förbränning av naturgas:en molekyl metan och två syre kombineras för att producera koldioxid och vatten:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

Förbränning av ett kilo naturgas frigör 15 kWh energi i form av infraröd strålning (strålningsvärme). Detta är en ansenlig summa.

För att stoppa ständigt förvärrade klimatförändringar måste vi sluta förbränna fossila bränslen för energi. Det är en hög ordning, eftersom fossila bränslen ger 84 procent av all energi som används av den mänskliga civilisationen. (Nya Zeeland är mindre beroende av fossila bränslen, med 65 procent.)

Det finns många möjliga källor till förnybar eller koldioxidsnål energi:kärnkraft, vattenkraft, vind, sol, geotermisk energi, biomassa (förbränningsanläggningar för energi) och biobränsle (tillverkning av flytande eller gasformiga bränslen från anläggningar). En handfull tidvattenkraftverk är i drift och experiment med våg- och havsströmsgenerering pågår.

Men bland dessa är de enda två med kapacitet att skala upp till den svindlande mängden energi vi använder vind och sol. Trots imponerande tillväxt (fördubbling på mindre än fem år) ger vind bara 2,2 procent av all energi och solenergi 1,1 procent.

Övergången för förnybar energi

En frälsning, som antyder att en fullständig omvandling till förnybar energi kan vara möjlig, är att mycket av energin från fossila bränslen går till spillo.

För det första står utvinning, raffinering och transport av fossila bränslen för 12 procent av all energianvändning. För det andra förbränns fossila bränslen ofta på mycket ineffektiva sätt, till exempel i förbränningsmotorer i bilar. En värld baserad på förnybar energi skulle i första hand behöva hälften så mycket energi.

Den potentiella sol- och vindresursen är enorm och kostnaderna har sjunkit snabbt. Vissa har hävdat att vi skulle kunna gå över till helt förnybar energi, inklusive transmissionsledningar och energilagring samt helsyntetiska flytande bränslen, senast 2050.

Ett scenario ser att Nya Zeeland bygger 20GW solenergi och 9GW vindkraft. Det är inte orimligt – Australien har byggt så mycket på fem år. Vi borde skynda oss. Förnybara kraftverk tar tid att bygga och industrier tar tid att skala upp.

Andra faktorer att tänka på

Att byta till förnybar energi löser problemen med bränsle och klimatförändringar, men inte problemen med eskalerande resursanvändning. Att bygga ett helt nytt energisystem kräver mycket material, en del av det sällsynt och svårt att utvinna. Till skillnad från bränt bränsle kan metall återvinnas, men det hjälper inte när man bygger ett nytt system för första gången.

Forskning drog slutsatsen att även om vissa metaller är knappa (särskilt kobolt, kadmium, nickel, guld och silver), är "ett helt förnybart energisystem osannolikt att utarma metallreserver och resurser fram till 2050." Det finns också möjligheter att ersätta vanligare material, med viss effektivitetsförlust.

Men många metaller är mycket lokaliserade. Hälften av världens koboltreserver finns i Demokratiska republiken Kongo, hälften av litiumet finns i Chile och 70 procent av de sällsynta jordartsmetallerna som används i vindturbiner och elmotorer finns i Kina.

Slöseri med konsumtion är en annan fråga. Ny teknik (robotar, drönare, internet) och ekonomisk tillväxt leder till ökad användning av energi och resurser. Rika människor använder oproportionerligt mycket energi och modellerar överdriven konsumtion och slösar andra eftersträvar, inklusive de framväxande rika i utvecklingsländerna.

Forskning som analyserade utsläpp på hushållsnivå i europeiska länder fann att den översta procenten av befolkningen med de högsta koldioxidavtrycken producerade 55 ton CO₂-ekvivalenta utsläpp vardera, jämfört med en europeisk median på 10 ton.

Forskare har varnat för de rikas konsumtion och det pågår en livlig debatt om hur man kan minska den samtidigt som man bevarar ett stabilt samhälle.

Ett sätt att vända på dessa frågor är att börja från botten och fråga:vad är den minsta energi som krävs för grundläggande mänskliga behov?

En studie ansåg att "anständigt boende" inkluderade bekväma bostäder, tillräckligt med mat och vatten, 10 000 km resor om året, utbildning, sjukvård och telekommunikation för alla på jorden - uppenbarligen inte något vi har lyckats uppnå hittills. Man fann att detta skulle behöva cirka 4 000 kWh energi per person och år, mindre än en tiondel av vad nyzeeländare för närvarande använder, och en mängd som lätt kan förses med förnybar energi.

Allt kol under marken var energi mogen för plockning. Vi valde den. Men nu är det dags att sluta.