Twoja wyszukiwarka

ŁUKASZ A. TURSKI
ENERGIA I MY
Wiedza i Życie nr 12/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 12/1997

POWTARZANA CZĘSTO W MEDIACH OPINIA, ZE SŁOŃCE JUŻ DZIŚ MOŻE BYĆ WYSTARCZAJĄCYM ŹRÓDŁEM ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA, NIEZBĘDNYCH DO ROZWOJU CYWILIZACJI, JEST ZWYKŁYM NADUŻYCIEM.

Tegoroczne lato było długie i upalne. Zaczęło się jednak od tragicznej powodzi na południowym zachodzie Polski. Wczasowicze w okolicach Ustki mogli obserwować zjawisko, znane z filmów o północnej Kalifornii: kłęby mgły napływającej znad, niezwykle zimnego, około 10oC, morza nad rozgrzane plaże. Anomalie pogodowe dotyczyły nie tylko Polski.

W wielu mediach bez trudu można było znaleźć wypowiedzi dowodzące, że te klęski żywiołowe i nieszczęścia są dziełem ludzkich rąk: skutkiem barbarzyńskiej ingerencji człowieka w naturalne środowisko, za dawnych czasów nazywane po prostu przyrodą. Co jakiś czas działacze ruchów ekologicznych przykuwali się łańcuchami do różnych instalacji technicznych. Ich intelektualni przywódcy, jak np. sekretarz generalny sławnego "Szczytu Ziemi" w Rio w 1992 roku, Maurice Strong, pisał, że człowiek jest gatunkiem wyrwanym spod kontroli. Czyż jedyną nadzieją naszej planety nie jest załamanie się cywilizacji przemysłowej? Czy nie jest naszym obowiązkiem spowodowanie takiego załamania?

Zeszłego lata "The Wall Street Journal", jedna z najpoważniejszych gazet amerykańskich, opublikował list Fredericka Seitza, sławnego fizyka ciała stałego, byłego rektora Uniwersytetu Rockefellera i byłego prezydenta amerykańskiej Narodowej Akademii Nauk, protestujący przeciwko celowemu fałszowaniu raportu ONZ o tzw. globalnym ociepleniu i związanych z tym zmianach klimatycznych. Komisja ONZ, w której zasiadał, nie mogła bowiem potwierdzić "politycznie poprawnej" doktryny, że działalność gospodarcza ludzi, szczególnie zaś energetyka, ponosi odpowiedzialność za (ponoć) obserwowane systematyczne ocieplanie się klimatu Ziemi.

Piszę to nie dlatego, broń Boże, żebym był za bezsensownym zatruwaniem atmosfery ziemskiej, nie bał się konsekwencji wycinania lasów tropikalnych czy lekceważył tykającą bombę demograficzną świata. Piszę dlatego, aby uzmysłowić sytuację, w której znaleźliśmy się niemal dokładnie 200 lat po ukazaniu się sławnego dzieła brytyjskiego ekonomisty i demografa Thomasa Roberta Malthusa, będącego początkiem swoistego trendu działalności intelektualnej - katastrofizmu.

Malthus, oceniając sytuację demograficzną świata i krytycznie patrząc na możliwości technologiczne współczesnego mu rolnictwa, przewidywał załamanie się cywilizacji z powodu totalnego głodu. Nie był oczywiście pierwszym głoszącym katastroficzne wizje. Już w XV i XVI wieku przewidywano zagładę miast, np. Paryża, wywołaną przywaleniem ich zwałami nawozu końskiego. "Spinning Jenny" - krosno automatyczne - miała być przyczyną tragicznego bezrobocia i przynieść koniec świata; w rzeczywistości wynalazek ten był początkiem rozwoju cywilizacji masowej produkcji.

Do dziś poglądy Malthusa, oparte na prawidłowej znajomości - ale błędnym zastosowaniu - własności krzywej wykładniczej, mają licznych zwolenników. Gdybyśmy zajrzeli do pierwszego wydania raportu Klubu Rzymskiego, to znajdziemy w nim przepowiednie, według których zapasy ropy naftowej powinny się wyczerpać kilka lat temu.

W końcu XIX wieku sławny fizyk angielski William Crookes, ten od znanej ze szkoły tzw. ciemni Crookesa, zaangażowany obserwator przemian społecznych i jeden z pierwszych uczonych, którzy padli ofiarą bezkrytycznego wierzenia specjalistom od paranormalności, wygłosił na posiedzeniu Królewskiego Towarzystwa w Londynie wykład o zbliżającym się kresie cywilizacji. Jego przyczyną miało być wyczerpywanie się źródeł naturalnych nawozów azotowych (ptasiego guana z Chile), bez których intensywna gospodarka rolna XIX-wiecznej Europy musiałaby zamrzeć. Crookes przewidywał kryzys w pierwszej dekadzie XX stulecia; nie przewidział jednak, że w XX wiek wkroczyliśmy z odkryciem produkcji amoniaku, a tym samym możliwościami rozwoju przemysłu nawozów sztucznych.

Katastrofiści popełniają podstawowy błąd, zakładając niezmienność poziomu technologicznego. Agresywni przedstawiciele tego nurtu stają się dlatego prędzej czy później wrogami rozwoju nauki. Dopatrują się w niej bowiem, i słusznie, przyczyn niespełnienia się ich przepowiedni. Niezrealizowanie się prognoz Crookesa, a także wszystkich innych maltuzjańskich wróżb, łącznie z tymi Klubu Rzymskiego, zawdzięczamy bowiem nie tyle błędom katastrofistów, co nieskrępowanemu doktrynalnie i ideologicznie rozwojowi wiedzy o otaczającym nas świecie, w tym, a może przede wszystkim, o nas samych. Pod koniec XX wieku ludzkość nie jest w sytuacji małego dziecka bojącego się wejść do ciemnego pokoju. Ten pokój umiemy oświetlić i nie musi on być dla nas pełen niebezpieczeństw. Powinniśmy tylko zachowywać się w nim racjonalnie.

Aby wyrobić sobie własną opinię o zagrożeniach cywilizacyjnych, niezbędną do świadomego podejmowania, w demokratycznym społeczeństwie decyzji o dalszych kierunkach rozwoju, trzeba mieć podstawową wiedzę o zjawiskach, determinujących naszą cywilizacyjną przyszłość. Zachęcam do rozpoczęcia takiej edukacji na przykładzie rozważań o energii.

Podstawowym towarem, od którego zależy rozwój cywilizacji, jest energia. Przedsmak jej niedostatku mieli mieszkańcy krajów rozwiniętych w połowie lat siedemdziesiątych, w czasie embarga na dostawy ropy naftowej ogłoszonego przez kraje OPEC. My też pamiętamy nieustanne "czasowe wyłączenia" prądu w okresie realnego socjalizmu, zimne kaloryfery i upodlające kartki na benzynę w schyłkowym okresie gospodarki socjalistycznej w PRL.

Powierzchnia kuli ziemskiej skąpana jest w energii dostarczanej nam przez Słońce. Powstanie kuli ziemskiej, jej atmosfery, życia na jej powierzchni - to wszystko zawdzięczamy strumieniom fotonów płynącym ze Słońca. Właśnie one niosą 99.9% energii docierającej do naszej planety. Pozostały ułamek procenta to energia geotermiczna, grawitacyjna (przypływy mórz) i energia jądrowa (naturalna). Słoneczne fotony wypełniają cały zakres widma promieniowania elektromagnetycznego - od fal radiowych, promieniowania podczerwonego, światła widzialnego, przez promieniowanie ultrafioletowe, do promieniowania rentgenowskiego.

Całkowita energia padająca w ciągu minuty na powierzchnię 1 cm2, prostopadłą do promienia łączącego Słońce z Ziemią, na skraju atmosfery nosi nazwę stałej słonecznej S i wynosi około
2 cal/min 3 cm2. Dużo to czy mało?

Po pierwsze, z grubsza tylko połowa powierzchni Ziemi jest w każdej chwili oświetlona promieniowaniem słonecznym. Oznacza to praktycznie, że uśredniona (uwzględniająca noc i dzień, a także całą powierzchnię kuli ziemskiej) wartość stałej słonecznej wynosi zaledwie 0.5 cal/min 3 cm2.

Po drugie, jesteśmy szczęśliwie osłonięci ochronnym płaszczem atmosfery, zbudowanej z gazów oddziałujących z promieniowaniem elektromagnetycz-
nym. Dlatego do powierzchni Ziemi przenika około 47% energii docierającej do górnych warstw atmosfery. Tak więc uśredniony po szerokościach geograficznych, porach roku itp. strumień energii słonecznej na powierzchni Ziemi wynosi około 164 W/m2 (w tym wypadku użyłem legalnych jednostek układu SI). Podkreślam, że jest to dobowa wartość średnia. Jeżeli uwzględnić tylko 8-godzinny "dzień pracy" Słońca od 8 rano do 4 po południu, to dla miejscowości na szerokości geograficznej 40o wspomniana wartość ta wyniesie około 600 W/m2. W ciągu "dnia pracy" Słońce dostarczy wtedy 4.8 kWh/m2, co odpowiada mniej więcej energii 0.5 l benzyny na m2 na dzień. Oczywiście, nieco większa jest ta wartość latem, a mniejsza zimą. No i, oczywiście, nocą nie otrzymujemy nic z owej darmowej energii.

Większość konsumentów energii żyje w znacznie gorszych, z punktu widzenia możliwości wykorzystania energii słonecznej, warunkach. W znanym ze swoich wspaniały turystycznych walorów indyjskim Radżasthanie, niedaleko Jodhpur, kosztem 45 mln dolarów z Banku Światowego i 149 mln dolarów pożyczki z banków niemieckich, rusza budowa pierwszej wielkiej elektrowni słonecznej o mocy 175 MW. Na razie energia w niej wytworzona będzie trzykrotnie droższa od uzyskiwanej tam ze spalania podłej jakości węgla. W ten sposób, dzięki amerykańskiej technologii firm Amoco-Enron i niemieckim pieniądzom, Indie staną się potęgą w energetyce słonecznej. Niestety nam, mieszkańcom "ciemniejszych" stron kuli ziemskiej, przyjdzie jeszcze długo czekać, nim technologie ujarzmiania tej energii pozwolą raz na zawsze zamknąć elektrownie węglowe.

Jak efektywne w naszym codziennym życiu byłoby "lokalne" wykorzystanie energii słonecznej, tej bezpiecznej (jak bezpiecznej, o tym napiszę innym razem) i czystej, tak zachwalanej przez ruchy ekologiczne?

Wyobraźmy sobie, że udało nam się zbudować domek jednorodzinny, którego powierzchnia dachu, nadająca się do zamontowania jakiegoś urządzenia przetwarzającego energię słoneczną w energię cieplną i elektryczną, wynosi 100 m2. Powiedzmy, że na początek chcemy Słońcem ogrzać nasz dom, wodę do kąpieli i zmywania naczyń. Ot, takie minimalistyczne wymagania cywilizacyjne.

Do ogrzania pomieszczeń potrzeba, podczas normalnej zimy, nie jakiejś zimy stulecia, około 100 kWh dziennie (ramka na sąsiedniej stronie).

Jeżeli przyjąć, że do naszego ogródka dociera 4.8 kWh/m2 i podgrzewamy dom za pomocą płaskiego kolektora, w którym promieniowanie ogrzewa krążący w cienkich rurkach płyn niezamarzający, to przy około 50-procentowej sprawności potrzebujemy na to około 45 m2. Podobnie, aby podgrzać 400 l wody z 10o do 50oC, potrzeba dodatkowo 20 m2. Ponieważ urządzenie nasze nie będzie działać w nocy, dobrze by było zgromadzić zapas energii. Najefektywniejszym termodynamicznie sposobem jest jej magazynowanie w podgrzanej wodzie. Łatwo oszacować, że potrzeba na to około 20 ton wody. Dwie duże cysterny na domek! A co z lokatorami domów wielorodzinnych? A co z resztą cywilizacyjnych urządzeń?

Artykuł ten piszę w pokoju hotelowym w Trondheim w Norwegii, w połowie września. Za oknem deszcz i zimny wiatr. Pomimo że jeszcze kilka dni temu z nieba lał się żar, dziś działają grzejniki. Na moim biurku dymi świeżo przyrządzona filiżanka kawy. Laptop, na którym piszę, zużywa kilkanaście watów. Pokój jest oświetlony kilkoma żarówkami o mocy 75 W każda. Gra cicho, przełączony na radio, hotelowy telewizor. Wszystkiego tego nie dałoby się zasilać energią słoneczną, przetworzoną na miejscu tu i teraz.

Z żadnego z tych "luksusów" cywilizacyjnych nie jestem skłonny zrezygnować. Tak samo jak z podróżowania samolotem czy samochodem. A ty, Czytelniku, z czego zrezygnowałbyś dzisiaj w grudniowy dzień? Z ogrzewania, oświetlenia mieszkania? Z pasteryzowanego mleka w sklepie? A może z pampersów dla swojego dziecka? Przyjrzyj się dookoła i zastanów. Masz tylko kawałek swojego dachu do dyspozycji.

Im więcej energii słonecznej chcemy przetworzyć, tym większa musi być powierzchnia urządzenia ją zbierającego. Na razie zapomnijmy o sprawności tego procesu. W moim przykładzie z dachem założyłem, że wynosi ona 50%. Zwolennicy "fundamentalnej" ekologii zalecają nam powrót do przyrody i korzystanie w sposób naturalny z energii. No właśnie, jak to robi przyroda?

Thomas Robert Malthus (1766 -1834)

Przyroda stworzyła fenomenalny odbiornik energii słonecznej, jakim jest roślinność. Większa część tej energii zostaje zużyta na wzrost roślin - produkcję biomasy. W naturalnej gospodarce energetycznej kuli ziemskiej rośliny stanowią pożywienie większości zwierząt. Niektóre zwierzęta, zjadając swoich towarzyszy, też w ten sposób korzystają z energii słonecznej. Szczęśliwym zrządzeniem losu my dodatkowo nauczyliśmy się korzystać z energii słonecznej, zdeponowanej w martwych roślinach, które w wyniku procesów geologicznych (nie do końca wyjaśnionych, czy naprawdę ropa naftowa, podobnie jak węgiel, jest produktem organicznym) utworzyły pokłady "kopalnej energii". W procesie tworzenia się nieodnawialnych źródeł energii uczestniczyły wielokrotnie te same fragmenty powierzchni Ziemi. Dziś zużywamy efekt przetworzenia w procesie fotosyntezy strumienia 164 W/m2 energii słonecznej, pomnożonego przez powierzchnie pokryte zieloną roślinnością i przez miliony lat. Nim jednak rozmaite procesy naturalne utworzyły pokłady kopalnej energii, fotony słoneczne musiały wytworzyć odpowiednie ilości biomasy.

Produkcja biomasy w procesach fotosyntezy nie jest, jak by się mogło wydawać, procesem bardzo wydajnym energetycznie. W procesie tym fotony oddziałują z cząsteczkami wody i dwutlenku węgla, tworząc węglowodory. W typowej reakcji

CO2+2H2O*CH2O+ H2O +O

potrzeba 0.13 kWh na wytworzenie mola CH2O. W bardziej złożonej reakcji prowadzącej do powstania glukozy potrzeba około 0.8 kWh energii świetlnej. Reakcje fotosyntezy są niezwykle złożone, przebiegają na ogół wieloetapowo. Trudno podać dokładne oszacowanie wydajności przetwarzania energii słonecznej w biomasę. Zależy to bowiem m.in. od warunków glebowych; np. wydajność pola kukurydzy w Izraelu jest
3 razy większa niż w amerykańskim stanie Iowa. Źródła ekologiczne podają doświadczalną wartość około 70 g dziennie biomasy na 500 cal/cm2.

Ponieważ tylko skromny ułamek biomasy jest następnie wykorzystywany w procesach energetycznych, zwiększenie tego współczynnika przeliczania fotonów na gramy biomasy jest niezwykle ważne. Można go poprawić, wykorzystując nawożenie itp. Jest to jednak złudna oszczędność - produkcja nawozów jest przecież energochłonna. Szczególnie rozrzutne energetycznie jest karmienie zwierząt biomasą, np. bydła kukurydzą. Zaledwie 10% wartości energetycznej kukurydzy przetworzone jest w tkance zwierząt, z czego tylko 10% nadaje się do skonsumowania. Tak więc zaledwie 1% energii serwowanej krowie trafia do naszego organizmu po zjedzeniu befsztyka.

Panuje opinia, że energetyka ponosi odpowiedzialność za ocieplanie się klimatu Ziemi

Z punktu widzenia termodynamiki spalanie węgla jest podobnym procesem zużywania energii słonecznej, co zjadanie przez krowę trawy. Nasi pradziadowie, kimkolwiek byli, też nie wykorzystywali jej lepiej. Jednak apetyt energetyczny człowieka szybko rósł, szczególnie gdy nauczył się posługiwać ogniem do gotowania i ogrzewania jaskiń. O ile potrzeby energetyczne na wytworzenie pożywienia rosły stosunkowo powoli, to takie "znamiona luksusu", jak ogrzewanie i gotowanie, zaczęły rosnąć bardzo szybko. Historycy cywilizacji wiedzą, dlaczego wyrąbano lasy w Anglii. A wspaniała kuchnia chińska dlatego korzysta z rozdrobnionych kawałków mięsa, że w tym kraju od już bardzo dawna problemem nie do rozwiązania było dostarczenie dostatecznej ilości opału do przyrządzania strawy. Gdy lasy w Anglii były już niemal wyrąbane, ludzie nauczyli się kopać węgiel. I tak oto, zamiast konsumować energię słoneczną docierającą do nas "teraz i tu", zaczęliśmy zużywać depozyt energii z przeszłości. I tak jest do dziś. Żyjemy z kapitału, który jest jednak skończony.

Gdybyśmy chcieli dzisiaj zacząć masowo korzystać z energii słonecznej docierającej do kuli ziemskiej teraz, to musielibyśmy zacząć pokrywać olbrzymie jej powierzchnie różnego rodzaju przetwornikami. Jedynym z takich urządzeń, które naprawdę efektywnie można wykorzystywać do tego, jest roślinność. Co prawda, znamy ogniwa fotowoltaiczne przetwarzające energię słoneczną w elektryczną i ich sprawność zwiększa się bardzo szybko, jednak stała słoneczna stanowi ograniczenie, którego nie da się przekroczyć.

Globalnie zastąpienie paliw kopalnych przez energię słoneczną jest więc niemożliwe. Jej strumień energii jest, co prawda, za darmo, ale kosztuje powierzchnia! Nie ma przy tym specjalnego znaczenia, czy przetwarzać ją będziemy za pomocą cudów nowej technologii, superogniw słonecznych, czy jeszcze sprawniejszych paneli bezpośredniej konwersji fotonów w bardziej "strawne" formy energii. Dlatego poświęciłem ten artykuł najbardziej ekologicznemu sposobowi wykorzystania energii słonecznej - przez ogrzewanie i fotosyntezę.

Melvin Calvin, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii (1961 r.) za odkrycie tzw. szlaku fotosyntetycznego, zwrócił uwagę, że gdyby np. zacząć masowo wytwarzać produkty naftopodobne, wy-
korzystując południowoamerykańskie drzewa dające niemal naturalną naftę, to właściwą jednostką powierzchni użyteczną do mierzenia areału takich upraw byłby stan Arizona. Na pokrycie potrzeb energetycznych amerykańskiej gospodarki potrzeba by było setek Arizon.

Na razie zużywamy depozyt energii z przeszłości, który jest jednak skończony

Idea zaspokojenia naszych potrzeb poprzez bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej "tu i teraz" nie daje spokoju marzycielom. W połowie sierpnia br. w Montrealu zebrali się entuzjaści kosmicznej elektrowni słonecznej. Byłoby to gigantyczne urządzenie zawieszone na orbicie geostacjonarnej, przez całą dobę przetwarzające energię słoneczną w mikrofale, których strumień skierowany byłby do odbiornika na Ziemi i następnie przetworzony w energię elektryczną. Delegacja NASA przedstawiła na konferencji aż 30 pomysłów. W tzw. realistycznym wariancie stacja kosmiczna miałaby "zaledwie" 50 km2, a stacja odbiorcza na ziemi 70 km2.

Na pierwszy rzut oka pomysł wydaje się wspaniały. Ale jaka byłaby "maksymalna" sprawność takiego urządzenia? Okazuje się, że każdy z etapów przetwarzania energii w tym urządzeniu, z energii słonecznej w elektryczną, następnie w mikrofale i znowu, już na ziemi, w elektryczność, ma sprawność poniżej 30%. Tak więc zaledwie 3% energii słonecznej dotrze w ten sposób z orbity do odbiorcy na ziemi.

W dodatku ten potworny strumień mikrofal z orbity na ziemię działać będzie jak gigantyczna, niczym nie osłonięta kuchenka mikrofalowa. Nie chciałbym być w samolocie, który przypadkiem znajdzie się zbyt blisko tego strumienia. Najmniejszy błąd stabilizacji stacji na orbicie (a historia maciupeńkiego w porównaniu z tą stacją MIR-a jest bardzo pouczająca) może spowodować przesunięcie owej wiązki mikrofal o tysiące kilometrów. Ta nowa gwiazda szczęścia na naszej orbicie byłaby wtedy raczej gwiazdą śmierci.

W najbliższych latach nie da się jej zrobić. Wyniesienie na orbitę urządzenia o wadze kilkuset ton, przy kosztach około 10 tys. dolarów za kilogram, odsuwa ten pomysł w przyszłość. Ponoć byłoby to opłacalne, gdyby wyniesienie jednego kilograma kosztowało około 200 dolarów-- zaledwie trzy razy tyle, ile w latach siedemdziesiątych płaciłem za nadwagę bagażu w locie przez Atlantyk.

Rozwój tak znienawidzonej przez skrajne ruchy ekologiczne cywilizacji energochłonnej przeniósł do lamusa historii wielkoprzemysłową klasę robotniczą i uwolnił człowieka od ciężkiej pracy fizycznej. Było to możliwe, ponieważ wyczerpywaniu się prymitywnie dostępnej energii słonecznej towarzyszyły odkrycia naukowe pozwalające wykorzystywać nowe źródła energii, zdeponowane w ziemi. Nie ulega wątpliwości, że proces wyczerpywania się paliw kopalnych stanie się prędzej czy później dramatycznym problemem cywilizacji. Oszczędniejsze zużywanie energii, próby racjonalizacji jej zużycia, sięganie po dostępne w małej skali lokalne źródła, jak choćby wspomniane wcześniej bezpośrednie ogrzewanie domów słońcem, wszystko to może odrobinę opóźnić ten problem, ale go nie rozwiąże.

Ludzkość, by się rozwijać, musi sięgnąć po inne, nie związane z strumieniem energii słonecznej źródła energii. Szczęśliwym zbiegiem okoliczności jedno z nich już mamy: energię jądrową. Jej wykorzystanie odbywa się nie tylko w cieniu ofiar bomby atomowej, ale i chmury radioaktywnego pyłu, wyrzuconego do atmosfery przez pożar elektrowni w Czarnobylu.

O energii jądrowej i możliwości spowolnienia tempa wzrostu konsumpcji energii bez konieczności rezygnowania ze zdobyczy współczesnej cywilizacji napiszę wkrótce w odrębnym artykule. Na razie zachęcam wszystkich zainteresowanych, zgadzających się i nie zgadzających z moimi poglądami, by podzielili się swoimi uwagami na stronie internetowej:

http://www.proszynski.com/mmd/energia.htm. Na wszystkie rozsądne pytania i uwagi postaram się bezpośrednio odpowiedzieć.

15 grudnia br. w Instytucie Fizyki PAN na Służewcu, al. Lotników 32/46, o godz. 17 autor artykułu wygłosi wykład na ten temat. Wstęp wolny.

Prof. dr hab. ŁUKASZ A. TURSKI pracuje w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i Szkole Nauk Ścisłych w Warszawie.