Nowa matematyka węgla - Rynek energii elektrycznej

Nowa matematyka węgla1)
Autor: Jacek Malko, Politechnika Wrocławska
(„Energetyka” - grudzień 2007)
Motto:
Globalne ocieplenie jest najpowaŜniejszym testem, przed którym kiedykolwiek stanęła ludzkość.
Nowe technologie i nowy styl Ŝycia są obiecujące, ale jedynie wówczas, gdy będziemy działać szybko i
zdecydowanie. Dla zmierzenia się z globalnym ociepleniem pierwszym krokiem jest analiza danych liczbowych.
Bill Mc Kibben NGM, październik 2007
Robimy zbyt mało i zbyt późno, aby powstrzymać globalne ocieplenie –
największą katastrofę, jak grozi naszej planecie
Sir James Lovelock, Green College UV Oxford, 2006
Lata ostatnie uświadomiły równieŜ politykom nową kategorię zagroŜeń związaną z trudnym
do zakwestionowania procesem zmian klimatycznych w skali globalnej. Intensywne prace,
inicjowane i koordynowane przez Komisję Europejską, zaowocowały zbiorem dokumentów,
zwanych „Pakietem energetycznym" (The Energy Package [1]). Czołowym dokumentem tego
pakietu jest „Europejska polityka energetyczna" [2], ale zaraz po ogólnych problemach
strategii rozwoju sektora energii plasuje się Komunikat Komisji „O ograniczeniu globalnego
ocieplenia do 2°C w perspektywie roku 2020 i dalszej" [3].
W skład „Pakietu ..." wchodzą równieŜ inne dokumenty, związane z problemem emisji tzw.
gazów cieplarnianych (GHG), na przykład „ZrównowaŜona produkcja energii z paliw
kopalnych - cel: niemal zerowa emisja ze spalania węgla po 2020 r." [4]. Rangę pakietowi
energetycznemu nadała akceptacja szefów państw UE z marca 2007 r. [5].
Zasadniczą cechą postanowień unijnych jest dąŜenie do zahamowania, a później - odwrócenia
tendencji zwiększenia udziału gazów cieplarnianych (zwłaszcza CO2) w atmosferze
ziemskiej. Wagę tego problemu uzmysławia opinii publicznej znacząca liczba publikacji o
nader zróŜnicowanym poziomie; ostatnio prestiŜowy magazyn National Geographic Society
zapowiedział cykl artykułów „Na spotkanie z wyzwaniem klimatycznym" (Me-eting the
Climate Challenge). Pierwszą z tego cyklu jest relacja, syntezująca prace Roberta H.
Socolowa i Stephena W. Pacala z Uniwersytetu Princeton [6] oraz dane o globalnej emisji
węgla z Oak Ridge National Laboratory; jest to artykuł „Carbon's New Math" [7]. Celowe jest
przybliŜenie tej „cover story" równieŜ i czytelnikowi Energetyki.
Historia, teraźniejszość i perspektywy emisji węglowych
Za stan wyjściowy procesu wprowadzania do atmosfery emisji antropogennych uwaŜa się
stęŜenie CO2 o wartości 280 części na milion (ppm), uznawany za stabilny w okresie
bezpośrednio preindustrialnym (do r. 1850).
Ten „naturalny" (lub „dobry") poziom zdefiniowany jest dość swobodnie jako „taki, do
jakiego jesteśmy dostosowani". „Szklarniowe" działanie dwutlenku węgla wynika z jego
struktury molekularnej, powodującej przechwytywanie ciepła w pobliŜu powierzchni planety
i uniemoŜliwiającej wypromieniowanie w kosmos.
Nastawienie ziemskiego termostatu na 280 ppm CO2 towarzyszyło rozwojowi cywilizacji i
ustalało globalną temperaturę na poziomie ok. 14°C. Ta wartość temperatury określała
warunki zabudowy siedzib ludzkich, warunki uprawy róŜnorodnych gatunków roślin i
hodowli zwierząt, warunki zaopatrzenia w wodę, a nawet cykliczność zjawisk sezonowych,
wpływających z kolei na kalendarz zachowań ludzkich (zwłaszcza w wyŜszych szerokościach
geograficznych).
Rozpoczęcie ery przemysłowej, znamienne gwałtownym wzrostem wykorzystania węgla,
ropy naftowej i gazu na cele energetyczne, spowodowało wzrost stęŜenia CO2, osiągając pod
koniec lat 50. ubiegłego wieku poziom 315 ppm. Obecnie wartość ta wynosi 380 ppm i rośnie
w tempie ok. 2 ppm rocznie. Nie wygląda to jeszcze zbyt groźnie, ale oznacza w istocie
przechwycenie większych wartości ciepła w pułapce CO2, co odpowiada dodatkowemu
zaabsorbowaniu tylko kilku watów mocy na metr kwadratowy powierzchni Ziemi. JednakŜe
jest to wartość dostateczna do znaczącego ogrzania naszej planety. JuŜ obecnie
doprowadziliśmy do podniesienia temperatury Ziemi o blisko 1 °C, ale nie jest jeszcze
moŜliwe dokładne przewidzenie konsekwencji dalszego zwiększenia stęŜenia CO2 w
atmosferze. Niemniej jednak juŜ zaobserwowane ocieplenie spowodowało zainicjowanie
procesu topienia niemal wszystkich obszarów objętych zlodowaceniem, wpłynęło na
zaburzenie pór roku i charakterystyki opadów oraz podniosło poziom światowego oceanu.
Bez względu na to, jakie kroki zostaną dziś podjęte, ocieplenie będzie postępować nadal -jest
to naturalny efekt zwłoki czasowej, zatem nie jest moŜliwe zatrzymanie procesu globalnych
zmian, a nasz cel jest mniej ambitny - utrzymanie tego procesu pod kontrolą. Ale nawet i to
nie jest łatwe.
Z jednej strony aŜ do teraz nie istnieją jednoznaczne dane, z których wynikałaby informacja o
punkcie, w którym katastrofa staje się nieunikniona. Posiadamy informacje bardziej
optymistyczne: w ostatnich latach pojawiło się wiele publikacji i raportów, wskazujących, Ŝe
stęŜenie 450 ppm CO2 jest wartością progową, której przekroczenia powinniśmy uniknąć.
Poza tym punktem, jak to utrzymuje wiele źródeł, w przyszłym stuleciu stopnieniu ulegną
lody Grenlandii oraz pokrywa lodowa Zachodniej Arktyki, co spowoduje znaczne
podniesienie poziomu mórz.
To stęŜenie progowe zdaje się mieć pełne uzasadnienie i chociaŜ nie uwzględnia się w nim
wpływu innych gazów cieplarnianych, takich jak metan lub tlenki azotu, wartość 450 ppm
CO2 moŜna traktować jako cel. Jest to jednak cel ruchomy w dalszej perspektywie, a jeŜeli
utrzyma się roczny przyrost 2 ppm, cel ten zostanie osiągnięty po ok. 35 latach. Tak więc
rachunki nie są zbyt skomplikowane, ale nie oznacza to, Ŝe wyniki nie są zatrwaŜające. Jak na
razie tylko Europa i Japonia usiłują utrzymać w karbach swoje emisje, nie osiągając zresztą
nawet własnych umiarkowanych celów.
Tymczasem USA, sprawca czwartej części emisji globalnych, nadal zwiększają produkcję
CO2: niedawno oficjalnie powiadomiono ONZ o zwiększeniu w latach 2000-2020 emisji o
20%. Ostatnie doniesienia raportują o nowym liderze - Chinach -w tym niechlubnym
współzawodnictwie, a spory przyrost emisji węglowych notują równieŜ Indie. Przeliczanie
emisji na głowę mieszkańców - co wydaje się najbardziej odpowiednią miarą udziału w puli
zanieczyszczeń - świadczy o nadal dominującej roli USA, ale liczba ludności w nowych
potęgach gospodarczych i tempo rozwoju sprawiają, iŜ to te nowe potęgi decydować będą o
globalnym tle zanieczyszczeń. Dziś w Chinach co tydzień oddaje się do uŜytku jedną
elektrownię węglową i niech to będzie miarą niepokojącej dynamiki zachodzących procesów.
Nie ma wątpliwości, Ŝe podstawowym działaniem, które moŜe zapobiec nadciągającej
katastrofie jest szybkie, trwałe i dramatyczne cięcie emisji przez kraje technicznie
zaawansowane, połączone z wielkiej skali transferem technologii do Chin, Indii i innych
krajów rozwijających się, tak by mogły one zaspokoić swoje potrzeby energetyczne bez
sięgania po zasoby węglowe. Nie ma teŜ wątpliwości, Ŝe powstają takŜe zasadnicze kwestie:
czy takie radykalne kroki są moŜliwe i czy istnieje wola polityczna takich działań i
rozpowszechniania ich rezultatów.
MoŜliwość radykalnych działań często znajduje uzasadnienie we wskazaniu na pojedynczą
nową technologię (wodorową, etanolową) i nadziei, Ŝe konieczne jest zastosowanie wielu
strategii. Przed trzema laty zespół z Princeton dokonał najlepszej dotychczas oceny
moŜliwości: w artykule w Science przedstawiono 15 „klinów stabilizacyjnych" - zmian
dostatecznie duŜych, by miały realne znaczenie i dla których stosowne technologie są juŜ
dostępne bądź teŜ są dostatecznie zaawansowane dla wdroŜeń. Są one często powszechnie
znane: samochody o bardziej efektywnym napędzie, budynki o lepszych parametrach
energetycznych, turbiny wiatrowe, biopaliwa w rodzaju metanolu. Są teŜ mniej popularne - na
przykład technologie czystego spalania dla elektrowni węglowych, zdolne do wychwycenia i
sekwestracji CO2. Jedna jest cecha wspólna dla proponowanych rozwiązań: są one trudniejsze
niŜ proste spalanie paliw kopalnych. Zmusza to równieŜ do uzmysłowienia prawdy dość
niewygodnej: era łatwej i taniej energii juŜ minęła, a to co nadchodzi teraz będzie zarówno
trudniejsze jak i droŜsze. To przejście oznacza w skali globalnej nakłady idące w biliony
dolarów. Oczywiście oznacza to równocześnie wykreowanie wielu nowych miejsc pracy, a po
zrealizowaniu uzyskamy „bardziej elegancką" infrastrukturę zaopatrzenia w energię. Po
wybudowaniu turbiny wiatrowej sama energia ruchu powietrza jest bezpłatna i ten pierwszy
krok jest względnie łatwy.
Zastąpienie w nadchodzącym dziesięcioleciu kaŜdej Ŝarówki przez świetlówkę kompaktową
moŜe być skutecznym rozpoczęciem jednego z 15 „klinów stabilizacji". JednakŜe w tym
samym dziesięcioleciu celem będzie wybudowanie 400 000 duŜych turbin wiatrowych - jest
to przedsięwzięcie oczywiście moŜliwe do zrealizowania, ale przy pełnym zaangaŜowaniu.
Musimy teŜ podąŜyć śladem Niemiec i Japonii, powaŜnie subsydiując dachowe panele
słoneczne, musimy sprawić, by rolnicy na całym globie odstąpili od głębokiej orki, aby
odbudować zawartość węgla w glebie, utraconą poprzednio do atmosfery. Musimy tego
dokonać jednocześnie.
Niektórzy wskazują, iŜ prekursorem takiego kreatywnego działania moŜe być projekt
Manhattan, prowadzący do zbudowania broni jądrowej lub program Apollo wysłania
człowieka na KsięŜyc. JednakŜe te analogie nie są trafne: wymienione projekty wymagały
intensywnej koncentracji środków finansowych i wysiłku intelektualnego na pojedynczej,
niewielkiej niszy naszej technosfery. Teraz potrzebujemy czegoś wręcz przeciwnego:
uzgodnionego podjęcia tego, co juŜ jest nam znane i realizowane w celu rozpowszechnienia
na kaŜdy zakątek światowej gospodarki w postaci działań wszechogarniających. To tak jakby
NASA za swój cel uznała przeniesienie całej ludzkości na KsięŜyc...
Nie wszystkie występujące problemy mają charakter techniczny; moŜe nawet stanowią one
mniejszość. Wiele ścieŜek prowadzących do stabilizacji przechodzi bezpośrednio przez nasze
Ŝycie codzienne i w kaŜdym przypadku będzie wymuszać trudne zmiany. Na przykład
transport lotniczy jest jednym z najszybciej rosnących źródeł emisji węglowych, ale wielu z
nas, przekonanych o celowości wymiany oświetlenia na energooszczędne lub chętnie
podróŜujących hybrydowymi samochodami nie będzie akceptować rezygnacji z szybkich
podróŜy samolotami po kraju lub po świecie.
Zwykliśmy dziś zamawiać środki Ŝywności z kaŜdego zakątka Ziemi - według pewnych
źródeł średnia jednostka pokarmu transportowana jest na odległość blisko 2500 km zanim
wyląduje na amerykańskim stole, co oznacza, Ŝe jest „przyprawiona" ropą naftową.
PodróŜujemy samochodem samotnie, gdyŜ jest to wygodniejsze niŜ dostosowywanie się do
rozkładów jazdy transportu publicznego. Budujemy coraz większe domy, mimo iŜ rozmiary
naszych rodzin ulegają zmniejszeniu, kupujemy odbiorniki telewizyjne o coraz większym
ekranie itd. itp. Musimy przemyśleć, jak doprowadzić do zmiany naszych zachowań
behawioralnych.
Prawdopodobną drogą do realizacji podstawowego celu - ograniczenia emisji - jest znaczące
zwiększenie cen paliw kopalnych. Wszystkie procedury, zmierzające do redukcji CO2 - tak
zwane systemy pułapów emisyjnych i handlu emisjami, wprowadzające moŜliwość
uczestniczenia przez przedsiębiorstwa biznesowe w aukcjach zezwoleń emisyjnych, są
sposobem na ciągłe podnoszenie cen węgla, ropy i gazu, co prowadzi do reorientacji
priorytetów gospodarowania energią. JeŜeli obywatele USA będą w cenie zakupu benzyny
pokrywać nawet część ogromnych kosztów środowiskowych, to zmienić to moŜe istotnie
wzorzec zachowań komunikacyjnych w stronę dojazdu małymi samochodami do stacji
kolejowej, co staje się powszechnym obyczajem Europejczyków. W dniach pogodnych realną
alternatywą moŜe stać się rower.
Najprostszym sposobem podniesienia cen moŜe być tzw. podatek węglowy, ale nie jest to
działanie proste i wiąŜe się z ogólną filozofią, mającą postać dylematu czy podatek ma do
poŜądanych działań zachęcać (na przykład do wzrostu zatrudnienia), czy teŜ od działań
niepoŜądanych odstraszać (na przykład globalne ocieplenie).
Jak wytłumaczyć setkom milionów Chińczyków i Hindusów, aby porzucili wizję przyszłości
opartą na węglu na rzecz technologii bardziej poŜądanych i przyjaznych dla środowiska?
Wiemy, iŜ jest to moŜliwe - niedawny panel ONZ na temat zmian klimatycznych oszacował
całkowity koszt takiej konwersji, oceniając efekt netto dodatnich i ujemnych jej aspektów, na
około 0,1% globalnego produktu brutto rocznie przez następne ćwierć wieku. Nie jest to cena
wygórowana.
Strategie redukcji emisji CO2 do roku 2057
Realizacja celów redukcji emisji o 1 mld t CO2 w kaŜdym kroku moŜe być osiągnięta przez
kaŜdorazową realizację poniŜej wymienionych strategii.
Strategie proefektywnościowe
• poprawa efektywności wykorzystania paliwa przez oczekiwane w roku 2057 dwa mld
samochodów: od bieŜącej średniej wartości zuŜycia 8 1/100 km do 4 1/100 km,
• zmniejszenie średniego rocznego przebiegu samochodów z 16 000 km do 8 000 km,
• zwiększenie efektywności procesów ogrzewania, chłodzenia, oświetlenia i sprzętu AGD o
25%,
• zwiększenie sprawności elektrowni węglowych z obecnej średniej wartości 40% do 60%.
Wychwytywanie i przechowywanie CO2
(Carbon Capture and Storage - CCS)
• wprowadzenie systemów CCS dla 800 wielkich elektrowni węglowych lub 1600 elektrowni
gazowych,
• zastosowanie systemów CCS dla zakładów produkcji wodoru z węgla, zapewniających
paliwo dla 1 mld samochodów,
• zastosowanie systemów CCS dla zakładów produkujących paliwo syntetyczne z węgla o
wydajności 30 mln baryłek dziennie.
Paliwa o niskiej emisji węgla
• zastąpienie 1400 wielkich elektrowni węglowych elektrowniami na gaz ziemny,
• zastąpienie paliwa węglowego zwiększoną trzykrotnie produkcją w elektrowniach
jądrowych.
Odnawialne źródła energii (OZE)
• 25-krotne zwiększenie mocy zainstalowanej w energetyce wiatrowej, pracującej na sieć
elektroenergetyczną,
• 700-krotne zwiększenie mocy zainstalowanej w elektrowniach słonecznych,
• 50-krotne zwiększenie aktualnej mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych,
wytwarzających wodór dla pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi,
• 50-krotne zwiększenie zdolności wytwórczych instalacji produkujących biopaliwo
metanolowe - wymaga to upraw energetycznych na obszarze 1/6 gruntów ornych w skali
światowej,
• wstrzymanie wszelkich działań prowadzących do zmniejszenia powierzchni zalesionych,
• rozszerzenie zasad ekologicznej uprawy na całe rolnictwo (normalna orka uwalnia węgiel
przez przyspieszenie rozkładu materii organicznej).
KaŜda z wymienionych strategii umoŜliwia ograniczenie do roku 2057 rocznej emisji węgla o
miliard ton, przy czym 1 tona emisji węgla odpowiada 3,7 tony emisji CO2.
ZałoŜyć moŜna trzy moŜliwe ścieŜki, prowadzące do odmiennych konsekwencji w obszarze
emisji węgla:
• kontynuacja aktualnego tempa wzrostu; ścieŜka kontynuacji prowadzi do emisji 16 mld t
węgla w roku 2057;
• zatrzymanie emisji na poziomie roku 2007 (8 mld t węgla), co wymaga wprowadzenia
strategii redukcji o 8 „klinów stabilizacji";
• zmniejszenie emisji o połowę (do 4 mld t węgla) w ciągu następnego 50-lecia, co wymaga
dalszej redukcji o 4 „kliny stabilizacji".
Skutki tych działań (lub ich niepodejmowania) są następujące:
• kontynuacja - stęŜenie CO2 powyŜej 800 ppm, wzrost temperatury o 5°C
• zatrzymanie - stęŜenie CO2 525 ppm, wzrost temperatury o3°C
• zmniejszenie - stęŜenie CO2 450 ppm, wzrost temperatury o2°C
Po pięćdziesięciu latach konieczne będzie wprowadzenie nowych technologii dla dalszego
obniŜania emisji w celu uzyskania zerowego bilansu (emisje CO2 pomniejszone o absorbcję
przez obszary lądowe i oceany Ziemi).
Konkluzja
Globalne ocieplenie jest największym wyzwaniem, przed jakim kiedykolwiek stanęła
ludzkość. Czy jesteśmy gotowi na zmiany, dokonywane w sposób dramatyczny i długotrwały
w celu zapewnienia przyszłym pokoleniom przyszłości, w której mogłyby one Ŝyć?
Jeśli odpowiedź na to fundamentalne pytanie będzie pozytywna, to juŜ dziś moŜemy
wykorzystać nowe technologie i nowe wzorce zachowań społecznych. Lecz tylko wówczas,
gdy będziemy działać szybko, zdecydowanie i z dojrzałością, jaką rzadko przejawiamy jako
społeczeństwo lub gatunek, oczekiwać moŜna rezultatów obiecujących. Teraz jest właśnie ten
moment, ale nie mamy ani pewności, ani gwarancji powodzenia.
„Otworzyło się tylko okno moŜliwości, które zamyka się szybko, ale jest jeszcze na tyle
uchylone, by stwarzać nadzieję" [7].
Przypisy
1)
W artykule przedstawiono punkt widzenia UE związany z wynikami prac ONZ.
Wspomnieć moŜna, Ŝe nie wszyscy uczeni i politycy go podzielają. Wielu jest przekonanych,
Ŝe nadchodzi globalne ochłodzenie, a dane liczbowe, na podstawie których wyciągnięto
wnioski, o jakich pisze Autor artykułu są wątpliwe. Szczególny niepokój budzi w wielu
kręgach postulowanie manipulowania wzorcami zachowań ludzkich czy poprawności
politycznej. Za bardzo przypomina to powieść Orwella i praktyki komunizmu i nazizmu,
(przypis Redakcji)
LITERATURA
[1]
Komisja
Wspólnot
Europejskich:
Pakiet
energetyczny
„The
Energy
Package".Bruksela,10.01.2007: www.ec.europa.en/energy/energy_policy
[2] Komisja Wspólnot Europejskich: Europejska polityka energetyczna. KOM (2007) 1. Bruksela,
10.01.2007
[3] Komisja Wspólnot Europejskich: Ograniczenie globalnego ocieplenia do 2°C w perspektywie
doku 2020 i dalszej. KOM (2007) 2. Bruksela, 10.01.2007
[4] Komisja Wspólnot Europejskich: ZrównowaŜona produkcja energii z paliw kopalnych: cel niemal zerowa emisja ze spalania węgla po 2020 r. KOM (2006) 843. Bruksela, 10.01.2007
[5] Rada Europejska: Konkluzja Prezydencji (OR. en - CONCL 1). Bruksela, 9.03.2007
[6] R. Socolow, S. Pacala: Stabilization Wedges, Science 2007
[7] B. Mc Kibben: Carbon's New Math. NGM, Oct. 2007