P O L I T Y K A E N E R G E T Y C Z N A T o m 10 <> Z e s z y t s p e c j a ln y 2 -v- 2 0 0 7
P L I S S N 1 4 2 9 - 6 6 7 5
Anna MARZEC*
Globalne wyzwanie - jak chronić klimat i zapewnić bezpieczeństwo energetyczne?
S T R E S Z C Z E N IE . Niniejsza publikacja została oparta na trzech źródłach: analizie warunków umożli
wiających stabilizacją koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze autorstwa Chris Greena i in.; Streszczeniu Czwartego Raportu IPCC opublikowanego w lutym 2007 r.; Wspólnym Oświadczeniu trzynastu Akademii Nauk opublikowanym w maju 2007. Najbardziej optymi
styczna prognoza, spośród opracowanych przez IPCC wariantów prognostycznych, przewi
duje stabilizacją stężenia CO2 z końcem XXI wieku, na poziomie około 550-600 ppm.
Spowoduje to wzrost średniej globalnej temperatury o około 2°C, co stanowi wielce znaczący wzrost w porównaniu z dotychczasowym, wynoszącym 0,8°C. Zahamowanie emisji na po
ziomie, określonym we wspomnianej prognozie, wymaga spełnienia istotnych warunków. Do nich należy, nie tylko, bardzo intensywne inwestowanie w badania i rozwój produkcji energii z surowców odnawialnych, ale także, konieczność uzależnienia wzrostu PKB gospodarki korzystającej w dalszym ciągu - chociaż w ograniczonym zakresie - z surowców kopalnych, od wzrostu produkcji energii odnawialnej. Na drodze jej rozwoju istnieją trudne do pokonania bariery, także technologiczne. W celu zmniejszenia niezbędnej do stabilizacji ilości energii odnawialnej, za priorytetowe uznano działania na rzecz podniesienia sprawności produkcji i użytkowania energii oraz czyste technologie węglowe tzn. skojarzone z wydzielaniem i depozycją CO2.
S ł o w a k l u c z o w e : ochrona klimatu, emisja C 0 2, czynniki ekonomiczne; energia niskoemisyjna,
energia odnawialna, ograniczenia rozwoju, priorytety
* P r o f. dr h a b . in ż . — b y ły p r a c o w n ik Z a k ła d u K a r b o c h c m ii P A N , G liw ic e ,
Wprowadzenie
Zmiany klim atyczne są spow odow ane w zrostem koncentracji dwutlenku w ęgla w atmo
sferze, który przede w szystkim jest rezultatem działalności ludzkiej [1]. Ten pogląd po
twierdza w spólne ośw iadczenie trzynastu Akadem ii Nauk (Brazylia, Francja, W łochy, Rosja, U SA , Kanada, N iem cy, Japonia, Płd. Afryka, Chiny, Indie, M eksyk, W lk. Brytania), opublikowane 16 maja 2007 [2], Najbardziej optym istyczny wariant spośród prognoz, opracowanych przez M iędzyrządowy Panel d.s Zmian Klimatu - IPCC [1] przew iduje, iż do 2100 roku zawartość gazów cieplarnianych w atm osferze w zrośnie do ok oło 5 5 0 -6 0 0 ppm, zatem będzie ponad dwukrotnie w yższa od poziom u w okresie przedindustrialnym (tzn.
przed 1750 r.). Spowoduje to wzrost średniej temperatury na Ziem i o 2°C , a na pow ierzchni lądów o około 3 -4 °C w porównaniu z ich temperaturą w okresie 1 9 8 0 -2 0 0 0 . A zatem nawet ten „najbardziej optym istyczny” wariant nie napawa optym izm em.
Z espół autorów z dwu kanadyjskich uniw ersytetów przeprowadził analizę [3], której celem jest określenie warunków, jakie m uszą być spełnione, aby m ożna b yło zapobiec ociepleniu klimatu w stopniu w yższym od przew idyw anego w e w spom nianym wariancie prognozy IPCC.
1. Obecna emisja dwutlenku węgla
Sumaryczna św iatow a emisja dwutlenku w ęgla w w yniku spalania paliw kopalnych jest gigantyczna; w yniosła ona [3, 4] od 25 gigaton w 2000 r do 27 gigaton w 2005 roku (1 gigatona to 1 miliard ton) [4],
Na czele głów nych „producentów” dwutlenku w ęgla znajdują się (dane dla 2000 r):
^ U SA - 21% światowej em isji,
<0> Chiny - 15%, E U 2 5 - 14%, -v- R o sja - 6 % ,
<v- Indie - 6%,
•v> Jap onia- 4 % ,
<>• N iem cy - 3%.
N iem al każdy z p ozostałych krajów em ituje mniej n iż 2% globalnej em isji. O czy w iste jest, że najw iększa od pow iedzialn ość za p rzyszłość obciąża przede w szystk im U S A , Chiny i U nię Europejską, które w sum ie em itują 50% św iatow ej em isji g a zó w cieplar
nianych.
2. Czynniki ekonomiczne determinujące emisję oraz jej wzrost
D o nich należy przede w szystkim produkt krajowy brutto (PK B, ang. G D P). PKB stanow i sum aryczną w artość dóbr i usług, w ytw orzonych na terenie danego kraju w ciągu roku. A le to w ytw arzanie dóbr, a także usług, w ym aga zu życia energii. Jak dotąd, energia ta p ochodzi w przeważającej m ierze z paliw kopalnych (w ęgiel, ropa, gaz ziem ny). N ic w ięc d ziw n ego, że w zrost PKB, uchodzący za m iernik rozw oju gosp odarczego, w ią że się ze w zrostem em isji dwutlenku w ęgla.
Drugim czynnikiem jest energochłonność (ang. en ergy in ten sity) produktu krajow ego, która jest m ierzona w jednostkach energii zużyw anej na w yprodukow anie jed nostki PKB.
N ależy brać pod uw agę, że ten parametr pozostaje także pod w p ływ em w arunków klim a
tycznych, w zw iązku z tym, jest on z reguły w y ższ y dla krajów o zim nym klim acie (zu żyw a się tam w ięk sze ilości energii choćby na ogrzew anie budynków ). Parametr dobrze służy natomiast, do ocen y gospodarki danego kraju; spadek je g o w artości z upływ em lat d ow odzi w zrostu spraw ności energetycznej gospodarki.
N aw et bardzo p ow oln y w zrost PKB przy nie zm niejszającej się energochłonności, p row adzić będ zie do wzrostu em isji C 0 2, je ś li dom inującym i surow cam i energetycznym i będą jak dotąd - ropa, w ęg iel i gaz ziem ny. B e z zn aczącego udziału tzw . odnaw ialnych surow ców energetycznych w wytwarzaniu PKB, n ie m oże w o g ó le być m ow y o jakiej
kolw iek stabilizacji emisji.
3. Zależność pomiędzy PKB i energochłonnością a wzrostem produkcji energii z surowców odnawialnych
A utorzy ( z M cG ill U niversity i U niversity o f W innipeg), przeprow adzili studia nad zależn ością pom iędzy w zrostem PKB i en ergoch łon nością św iatow ej gospodarki a n iez
będnym udziałem odnaw ialnych surow ców energetycznych w globalnej produkcji energii, udziałem , który m ógłby zapew nić na koniec X X I w . stabilizację em isji ga zó w cieplar
nianych na p oziom ie 5 5 0 -6 0 0 ppm. W m odelu przez nich rozpatrywanym tkw i założenie, iż roczna produkcja energii z paliw kopalnych, n ie przekroczy poziom u z roku 20 0 0 lub też m oże być w yższa w pierwszej p ołow ie X X I w ., ale za to - dużo n iższa w drugiej p ołow ie [3],
Poniżej podano przykłady tych zależności dla w artości roczn ego w zrostu PKB (cha
T A B E L A 1. Związek pomiędzy wzrostem PKB i intensywnością energetyczną gospodarki a produkcją energii odnawialnej, niezbędną do zapewnienia stabilizacji emisji GHG na poziomie
550-600 ppm [3]
T A B L E 1. Relationship between economic growth GDP, energy intensity El and carbon-free energy
in 2100 required to stabilize GHG emission at 550-600 ppm level [3]
R o c z n y w z r o s t P K B w o k r e s ie 2 0 0 0 - 2 1 0 0
[% ]
R o c z n y s p a d e k IE w o k r e s ie 2 0 0 0 - 2 1 0 0
[% ]
M in im a ln a p r o d u k c ja e n e r g ii o d n a w ia ln e j w 2 1 0 0 r.
[E J ]
2 ,0 - 0 , 9 8 4 0
2 ,0 - 1 , 2 5 3 0
2 ,5 - 0 , 9 1 5 8 5
2 ,5 - 1 , 2 1 0 7 5
Z a k res: o d - 5 3 0 d o ~ 1 5 8 5
EJ = 1 0 " J o u le
Dane tabeli 1 wskazują, że produkcja energii z surow ców odnaw ialnych m usi suk
cesyw nie wzrastać w X X I w ieku tak, aby w 2100 roku osiągnąć poziom dziesięciokrotnie, a m oże i dw udziestosześciokrotnie w yższy od poziom u produkcji energii odnawialnej w 2000 roku, w którym w ynosiła zaledw ie 60 EJ.
Warto także porównać to zapotrzebowanie na czystą energię w 2100 roku (530 do 1585 EJ) z sum aryczną globalną produkcją energii ze w szystkich surow ców w roku 20 0 0 - w ynosiła ona 410 EJ/rok. Jest to wyraźnie mniej n iż trzeba będzie produkować pod koniec XXI w ieku w yłącznie z surow ców odnawialnych.
Z analiz w spom nianych autorów w ynika także jednoznacznie, ż e w ysok i w zrost PKB przestaje być korzystnym zjaw iskiem z punktu w idzenia naczelnej potrzeby ochrony klimatu. W zrost PKB w inien być podporządkowany zdolności gospodarki do obniżania energochłonności oraz uzależniony od wzrostu produkcji energii z odnaw ialnych surow ców . W tej sytuacji, z obaw ą należy patrzeć na szybkie tempo corocznego w zrostu PKB w Chinach [4], Tu PKB w okresie 2 0 0 0 -2 0 0 4 rosło co roku o 8 do 10%. Skutek: PKB w 2004 stanow iło 143% w artości PKB w 2000 r.
Podobna sytuacja występuje w W ietnam ie [4]; tu PKB wzrastało w latach 2 0 0 0 -2 0 0 4 corocznie o 7 do 8%. A jeśli zjaw isko gw ałtow nego wzrostu gospodarczego w ystąpi także w innych krajach rozwijających się? Czy m ożna m ieć nadzieję, że gw ałtow nem u w zrostow i PKB, będzie tow arzyszył równie intensyw ny spadek energochłonności łub w zrost produkcji energii z surow ców odnawialnych?
4. Możliwości szybkiego wzrostu produkcji energii z surowców odnawialnych
D o tej grupy n ależą hydroelektrow nie, energia słoneczna, w iatrow a, energia pochodząca z biom asy i n iew ielk ie ilości energii geotermalnej (ograniczone zasoby, z w yjątkiem Islandii). Z aliczono tu także energię nuklearną opartą o rozszczepien ie uranu, tylko z uwagi na to, iż nie pow oduje dużej em isji gazów cieplarnianych.
Istnieje m ożliw ość otrzymywania energii z w szystkich tych źródeł za p om ocą znanych technologii i dlatego są rozpatrywane jako te, które kw alifikują się do szyb k iego zastoso
wania. N ie oznacza to jednak, że ta grupa m oże dostarczyć d ow olnie dużej ilo ści energii.
D o w ym ienionej grupy nie zaliczono depozycji dwutlenku w ęg la (w yd zielan ego z gazów spalinow ych) w podziem nych złożach, ani szeregu nowatorskich sp osob ów otrzym yw ania energii, stanow iących obecnie przedmiot badań o niedającej się w yraźnie określić, perspek
tyw ie w drożenia w skali przem ysłow ej. N ie zaliczono tu także energii jądrowej otrzym y
wanej na drodze fuzji jądrowej z uwagi na od ległą perspektyw ę w drożenia w skali prze
m ysłow ej.
5. Ile energii mogą dostarczyć hydroelektrownie i siłownie jądrowe?
W zrost produkcji w hydroelektrowniach jest ograniczony liczb ą m iejsc, w których m ogłyby one działać. Specjaliści z tej dziedziny zakładają, iż do 2 1 0 0 r. energia z hydro
elektrowni m oże być co najwyżej podwojona i w yn ieść o k oło 3 2 EJ. B yłob y to zatem od 6 do 2% tej ilości odnawialnej energii, która jest potrzebna do stabilizacji em isji gazów cieplarnianych (tabela 1: od 530 EJ do 1585 EJ ) [3].
Ekspansja produkcji energii nuklearnej za pośrednictw em znanych tech n ologii (roz
szczep ien ie uranu - „open cy c le ”), jest lim itow ana zasobam i uranu. Potw ierdzone zasoby rudy uranowej w y n o szą 3 do 4 m ilion ów ton. O becne roczne zu życie to 30 6 ty sięcy ton, stąd w niosek , że zasoby u legn ą wyczerpaniu po około 10 latach (na św ie cie działa 4 4 0 siłow n i jądrow ych, a ponadto 70 dalszych jest w budow ie). O ptym istycznie jednak założon o, że zasoby m ogą okazać się znacznie w y ższe (około 30 m ilion ów ton, w ed łu g opracow ania M assachusetts Institute o f T echnology [5]). N aw et w takim w ariancie, roczna produkcja uranowej energii nuklearnej w X X I w. nie m ogłaby w zrosnąć w zn aczący sp osób [5, 6], D latego też d ocelow y potencjał produkcji energii jądrowej na św ie cie na k oniec X X I w ieku,
W tych rozważaniach nie m ożna pomijać barier, które utrudnią w zrost produkcji energii nuklearnej. Są to opory społeczne w ynikające z braku pew ności b ezp iecznego działania reaktorów nuklearnych (po 1986 roku doszło do 22 groźnych awarii [7]) oraz zagrożenia terrorystycznymi atakami.
W tej sytuacji pojawia się pytanie, czy pozostałe surowce odnaw ialne - słoń ce, wiatr i biom asa m ogą być głów nym źródłem takich ilości czystej energii, która jest niezbędna dla osiągnięcia stabilizacji koncentracji CO2 w atmosferze.
6. Duży wzrost produkcji energii z biomasy, Słońca i wiatru?
Energia Słońca i wiatrów m oże być pozyskiwana tylko w sposób nieregularny. Potrzebny jest tu przełom technologiczny, um ożliw iający m agazynow anie produkowanej energii, co stw orzyłoby m ożliw ość jej system atycznych dostaw do sieci elektrycznej. Ta zd oln ość m agazynowania energii m usi być duża - rzędu konsumpcji w okresie kilku m iesięcy - aby m ożna było skutecznie w yrów nać dostaw y energii w okresie obfitej produkcji (siln e letnie nasłonecznienie; wietrzne pory roku) i mało intensywnej produkcji w innych okresach. S ą tu potrzebne n ow e technologiczne rozwiązania takie jak [3]:
*v- m agazynowanie energii w postaci wodoru (produkow anego na drodze elektrolizy w ody) lub sprężonego powietrza, wytwarzanych bezpośrednio na farmach słon eczn ych czy wiatrowych,
-O* zastosow anie w odoru do m agazynowania energii charakteryzują dw ie wady; w ym aga to bow iem dużych ilości czystej w ody (80 m ilionów m 3 na w ytw orzenie wodoru zaw ie
rającego jeden EJ energii - taka ilość w od y zaspokaja potrzeby miasta, zam ieszkałego przez 500 000 ludzi) oraz dużej ilości energii zużywanej w procesie elektrolizy w ody, -v- zastosow anie całkow icie now ych rozw iązań w zakresie przesyłu energii elektrycznej
(„sm art g rid s”).
Produkcja energii z biom asy także n ie jest pozbawiona wad. Uprawa biom asy w ym aga nakładu energii (m .in., orka, sianie lub zasadzenia, zbiór, suszenie oraz transport i ew en tualne przetwarzanie na etanol lub olej napędow y). W literaturze fachow ej nie brak opinii, iż zu życie energii na produkcję ciekłych paliw z biom asy p rzew yższa energię zawartą w wyprodukowanym etanolu lub oleju napędow ym . Ponadto trzeba brać pod uw agę, że m oże dojść np., w gospodarce leśnej do rabunkowej gospodarki, która nie b ęd zie m iała nic w spólnego z ochroną lasów .
O siągnięcie odpow iedniego poziom u produkcji energii słonecznej, wiatru i energii z b io masy napotka ponadto na podobną w spólną barierę w postaci zapotrzebowania na duże ob
szary, na których m ożna by zainstalow ać odpow iednie urządzenia lub uprawiać b iom asę [3], N iezbędny w zrost poboru energii słonecznej w ym agałby pow ierzchni ok oło czterystu tysięcy km2 (czyli w ięcej niż w ynosi powierzchnia Polski), pobór energii wiatru - około 1 m iliona km2 (pow ierzchnia Egiptu). N ajw ięcej, bo około 8 m ilion ów km 2 p ochłonęłaby uprawa biom asy (pow ierzchnia Australii). To ogrom ne zapotrzebowanie na pow ierzch nię
jej uprawy budzi obaw y, czy rzeczyw iście duży udział energii z b iom asy je st realny.
B ow iem biom asa ma konkurencję w postaci potrzeby zapew nienia p ow ierzchni dla pro
dukcji rolnej i hodow lanej dla w ciąż rosnącego zaludnienia globu. Z k olei jej ewentualna uprawa na pustynnych obszarach w ym agałaby bardzo znacznych ilości w ody, której tam nie ma.
Ostateczna ocena w ysok ości produkcji energii z tych w szystk ich trzech źródeł, pod koniec X X I w . w yn osi 330 do 500 EJ/rok. A zatem, jed yn ie w przypadku:
ograniczonego w zrostu PKB do w artości n iższych od 2% na rok,
<0* corocznego spadku energochłonności (wynikającej z zastosow ania paliw kopalnych), w yn oszącego co najmniej - 1,2%/rok,
oraz pokonania w spom nianych barier wzrostu produkcji energii słon eczn ej, wiatru i z biom asy
bezem isyjna produkcja energii m ogłaby zapew nić stabilizację koncentracji g a zó w cieplar
nianych w atmosferze na p oziom ie 5 5 0 -6 0 0 ppm. W innych przypadkach ta czysta energia m oże pokryć zaled w ie 22 do 70% zapotrzebowania, niezbędnego do stabilizacji em isji C 0 2.
Wnioski
1. Nauka w skazuje na n iezw yk le pilną potrzebę podjęcia działań, zm ierzających do re
alizacji nadrzędnego celu w postaci stabilizacji klimatu. N ie da s ię tego zrealizow ać bez odpow iednich inicjatyw rządów oraz innow acyjności i zm iany d otych czasow ych postaw w instytucjach i środow iskach gospodarczych.
2. Emisja gazów cieplarnianych, w tym decydującego o zm ianach klimatu dwutlenku w ęgla, jest bezpośrednim rezultatem dwu ekonom icznych zjaw isk - rozw oju gosp o
darczego, opartego o energię p ochodzącą z paliw kopalnych oraz en ergochłonności gospodarki.
3. Potencjalny w zrost produkcji energii jądrowej (opartej o ob ecn ie stosow aną techno
logię), jakk olw iek n ie napotykałby na bariery technologiczne, uważać n ależy za ogra
n iczony z uw agi na zasoby rudy uranowej, które m ogą u lec w yczerpaniu naw et w okresie 10 lat. Każda budowa siłow n i jądrowej jest ryzykow na, je śli nie ma uprzednio za
p ew nionych dostaw uranu.
4. Pogląd, iż w skali globalnej, intensywny rozwój produkcji energii ze źródeł odna
w ialnych (słoń ce, wiatr, biomasa) w ystarczy do tego, aby doprow adzić do stabilizacji koncentracji gazów cieplarnianych, jest nazbyt optym istyczny. T ego rodzaju produkcja energii, na określonym p oziom ie w zrostu napotka na trudne do pokonania bariery.
Barierą nie do pokonania m oże być zbyt szybki rozwój gospodarczy, n ied ostosow an y do tempa rozw oju produkcji energii z surow ców odnaw ialnych.
5. Stabilizacja klimatu m oże nastąpić tylko pod warunkiem, że w zrost gosp odarczy (od
6. Z uwagi na trudności w zapewnieniu dostatecznej ilości czystej energii, w e w spólnym ośw iadczeniu trzynastu Akadem ii Nauk adresowanym do w szystk ich krajów świata, wskazano na n iezw ykle pilną potrzebą inw estow ania w e w zrost spraw ności produkcji i użytkow ania energii.
7. W obec ograniczonych m ożliw ości produkcji energii odnawialnej na terenie Polski (pilnie potrzebna jest w tej dziedzinie rzetelna inwentaryzacja zasob ów ) szczeg ó ln e znaczenie należy przypisać produkcji energii z w ęgla, sprzężonej z w ydzielaniem dw u tlenku w ęgla i je g o d ep ozycjąp od ziemią.
Literatura
[ 1 ] 1PCC Report: Climate Change 2007 - Summary for Policymakers. February 2, 2007.
http://www.ipcc.ch a następnie : download Summary for Policymakers.
[2] National Academy o f Sciences: Joint Science Academies’ Statement on Growth and Res
ponsibility: Sustainability, Energy Efficiency and Climate Protection. May 16, 2007.
http://nationalacademies.org/morenews/.
[3] G R E E N Chris, B a k s i Soham, D lL M A G H A N Maryami, 2007 - Challenges to a Climate Stabilizing
Energy Futures. Energy Policy vol. 35, pp. 616-626.
[4] World Resources Institute, http://earthtrends.wri.org/
[5] An Interdisciplinary MIT Study The Future o f Nuclear Power. July 29, 2003 http://web.mit.edu/nuclearpower/
[6] R O B E R T S S., 2006 — Nuclear Power and Climate Change - but is there enough Uranium to make
a Difference?. Energy & Environment vol. 17, No 2, pp. 281-282
[7] www.million-against-nuclear.net/background.6reasons.html, a także www.ieer.org/ensec/no-5/
Anna MARZEC
Global challenges -
how to protect climate and to achieve energy safety?
Abstract
The paper has been based on the following sources:
❖ analysis o f challenges associated with a stabilization o f atmospheric C 0 2 concentration, worked out by Chris Green and coauthors,
❖ IPCC Fourth Report Summary, published February 2007,
Joint Science Academies’ Statement on Sustainability, Energy Efficiency and Climate Protection, published May 2007.
The most optimistic prognosis, from other variants worked out by IPCC, predicts C 0 2 con
centration at 550-600 ppm level by the end o f XXI century. It would bring about ~2°C temperature increase compared with 0,8°C increase so far.
Rough estimates o f the amount o f carbon-free energy required to stabilize climate were provided.
Major challenges to stabilizing CO2 concentration have to be faced. They are technological barriers and necessities o f intensive investments in research and development o f high amounts o f sustainable energy production. Moreover, essential strong ties are inevitable between sustainable energy increase and economy GDP increase - still dependent on fossil fuels although within a limited range (as predicted in IPCC model).
In order to lessen the amount o f carbon-free energy for stabilizing climate, the following steps should gain priorities - increase o f effectiveness o f energy production and use as well as carbon capture & sequestration (CCS) coal technologies.
K E Y W O R D S : c lim a t e p o l i c y , C O 2 e m is s io n , c lim a te s ta b iliz a tio n , e c o n o m ic fa c t o r s , c a r b o n - fr e e e n e r g ie s , e n e r g y d e v e lo p m e n t c o n s tr a in ts , p r io r itie s
