Do społeczeństwa, możliwie obiektywnie informowanego, powinna należeć decyzja, który sposób pozyskiwania energii należy rozwijać w sposób uprzywilejowany.

Rozdroża energetyki

Jerzy Sędzimir

Wzrost liczby ludności, pojawianie się nowych, produkowanych w coraz większych ilościach, energochłonnych urządzeń ułatwiających życie (gospodarstwa domowe, transport, przemysł), powodują, że znacznie wzrasta zapotrzebowanie na energię. Konieczny jest więc rozwój energetyki oraz podjęcie decyzji o kierunku tego rozwoju.

Obecnie około 80 proc. energii pozyskuje się poprzez spalanie węgla, ropy i gazu. Dodatkowo kilka procent dostarcza spalanie tzw. biomasy, czyli drewna, torfu, słomy oraz specjalnie w tym celu uprawianych, szybko rosnących roślin. Reaktory atomowe dostarczają 6−7 proc. energii (gdy bierze się pod uwagę jedynie energię elektryczną, udział reaktorów w jej dostawie wynosi 15−20 proc.). Inne metody pozyskiwania energii mają marginalne znaczenie (piszę o tym dalej).

Nic nie wskazuje na to, by w ciągu najbliższych dziesięcioleci jeden z dwu głównych sposobów otrzymywania energii (spalanie lub reakcje jądrowe) mógł zostać wyeliminowany. Należy się zastanowić, której metodzie nadać przywilej rozwoju. Wszystkie mają zalety, jak również poważne wady. Podejmując decyzję, należy mieć na uwadze jedne i drugie.

Prowadzona od lat polemika jest nużąca, gdyż powtarza się w niej, w różnych wariantach, te same argumenty. Każdy dyskutant dostrzega głównie korzyści wynikające ze stosowania proponowanej przez niego metody, bagatelizując lub nawet przemilczając jej minusy. Odwrotną zasadę przyjmuje się mówiąc o propozycjach strony przeciwnej. Przedstawiany tekst stanowi próbę niezaangażowanego zestawienia zalet i wad omawianych metod.

Energetyka oparta na procesach spalania

Zaletą jest łatwość realizacji procesów spalania, która spowodowała, że od zarania ludzkości dostarczały one energię cieplną do ogrzewania, przygotowywania pokarmów oraz na potrzeby ówczesnego „przemysłu” (np. ceramika, metalurgia, kowalstwo).

W okresie ostatnich stu kilkudziesięciu lat nauczono się „przetwarzać” energię cieplną procesów spalania w inne jej postacie. Stało się to punktem wyjścia do powstania i rozwoju współczesnej cywilizacji technicznej. Para wytwarzana w kotłach ciśnieniowych napędza silniki lub turbiny dostarczające energię mechaniczną. Sprzęgnięcie tych urządzeń z generatorami stworzyło możliwość dalszego „przetwarzania”, otrzymywania energii elektrycznej. Należy jednak pamiętać, że każdy etap pobiera „prowizję”, zmniejszając część energii cieplnej procesów spalania, udostępnianą w innej postaci. W przypadku paliw ciekłych i gazowych możliwe jest również bezpośrednie otrzymywanie części energii procesów spalania w postaci energii mechanicznej (silniki spalinowe).

W pierwszej połowie XX wieku procesy spalania dostarczały ponad 90 proc. użytkowanej energii. Światowe zasoby węgla, ropy i gazu są duże. Zużycie tych surowców wciąż rośnie, lecz, mimo odzywających się niekiedy katastroficznych głosów, nie zanosi się na ich wyczerpanie w okresie najbliższych kilkudziesięciu lat. Nawiasem mówiąc, już w latach trzydziestych XX wieku pojawiały się pesymistyczne prognozy, że jeżeli nie ograniczy się rozwoju motoryzacji, to w perspektywie 20 lat zabraknie ropy. Należy również wspomnieć o propagowanym ostatnio otrzymywaniu energii przez spalanie biomasy. Nawet najbardziej optymistyczne prognozy nie przewidują jednak, aby otrzymywane tą drogą ilości energii stanowiły znaczącą konkurencję w stosunku do energii ze spalania węgla, ropy i gazu.

Najczęściej wymienianą wadą spalania jest zagrożenie środowiska przez emitowany w tym procesie dwutlenek węgla. Wzrost jego zawartości w atmosferze jest powszechnie uważany za przyczynę obserwowanych w ostatnich kilkudziesięciu latach zmian klimatycznych (efekt cieplarniany powodujący topnienie lodowców, podnoszenie się poziomu wód itp.). Należy jednak zauważyć, że również w kronikach spotyka się wzmianki o długotrwałych okresach ocieplenia lub oziębienia. Brak metod pomiarowych oraz trudności przepływu informacji powodowały, że są to jedynie przekazy jakościowe, ograniczające się do określonych regionów.

Zapewne emisja dwutlenku węgla posiada swój udział w tych procesach. Należy jednak również pamiętać, że w ostatnich stu kilkudziesięciu tysiącach lat lodowiec kilkakrotnie przesuwał się ku równikowi (na obydwu półkulach, choć w różnym stopniu). Obecność złóż węgla na Svalbardzie i na Syberii (poza kołem podbiegunowym) dowodzi, że przed milionami lat było w tych regionach cieplej i rosły tam ogromne lasy. Zapewne fakty te nie były związane z paleniem większej lub mniejszej ilości ognisk przez neandertalczyków czy innych naszych protoplastów. Wydaje się, że dopiero w okresie ostatnich stu kilkudziesięciu lat częstotliwość i liczba pomiarów oraz sieć punktów pomiarowych stały się na tyle liczne, aby na ich podstawie można było formułować prawdopodobne hipotezy dotyczące zmian globalnego klimatu w tym okresie. Odpowiedź na pytanie, jaki jest udział emisji dwutlenku węgla w zmianach klimatycznych, pozostaje jednak kwestią otwartą.

W przypadku spalania węgla kamiennego lub brunatnego dodatkowymi zanieczyszczeniami spalin są: dwutlenek siarki, tlenki azotu i pyły. Ich usunięcie jest wykonalne, wymaga jedynie odpowiednich nakładów finansowych. Jeszcze bardziej kosztowne byłoby usuwanie ze spalin i składowanie ogromnych ilości CO2, którego emisja jest proporcjonalna do masy zużywanych paliw. Należy jednak brać pod uwagę, że równolegle do emisji CO2 przebiega reakcja odwrotna: materiały organiczne + O2 ⇔ CO2 + H2O + energia. Przebiegająca w prawo reakcja spalania dostarcza energii dla przemysłu, gospodarki komunalnej oraz potrzebnej do działania organizmów żywych. Powstający dwutlenek węgla może być wiązany w odwrotnej reakcji, przebiegającej w roślinach, kosztem energii dostarczanej przez słońce. Istotne jest, w jakim stopniu te przeciwstawne procesy się równoważą. Gdy pierwszy z nich dominuje, wówczas „nadwyżka” CO2 „wzbogaca” atmosferę. Niedobór CO2 utrudniałby wegetację roślin.

Omawiając wielkość emisji bierze się pod uwagę CO2 będący produktem spalania różnego rodzaju paliw. Brak, jak się wydaje, wiarygodnego bilansu dwutlenku emitowanego przez istoty żywe (poczynając od pierwotniaków i owadów, aż do ssaków) odżywiające się pokarmami organicznymi. Brak informacji, jak kilkakrotny wzrost liczby ludności w minionym stuleciu (do ok. 6 mld!) oraz ogromna rozbudowa hodowli zwierząt wpłynęły na wielkość emisji oraz na procentowy udział tak emitowanego CO2 w ogólnym bilansie.

Mówiąc o absorpcji CO2, zwraca się uwagę na jej zmniejszanie w wyniku wycinania lasów. Brak natomiast informacji o ilościach dwutlenku wiązanego przez uprawy roślinne (zboża, rośliny okopowe, oleiste, jarzyny, sady, winnice itp.). Areał tych upraw systematycznie wzrasta w związku z koniecznością produkowania żywności dla rosnącej liczby ludzi.

Główne złoża ropy i gazu są zlokalizowane na terenie kilku państw. Regulując rozmiary wydobycia oraz kontrolując dostawy tych surowców, kraje te mają możność wywierania nacisków politycznych i ekonomicznych na odbiorców, których gospodarka zależy od dostaw tych paliw.

Niewątpliwym minusem otrzymywania energii poprzez procesy spalania jest również to, że, mimo optymistycznych ocen zasobów węgla, ropy i gazu, musi kiedyś dojść do ich wyczerpania.

Wydobycie zużywanych w ciągu roku miliardów ton węgla, baryłek ropy oraz metrów sześciennych gazu, następnie zaś ich transport do odbiorców, stanowi poważny problem techniczny, organizacyjny. Są to czynniki zwiększające koszt otrzymywania energii.

Energetyka jądrowa

Zaletą jest całkowite wyeliminowanie zanieczyszczeń atmosfery (w przypadku bezawaryjnej pracy reaktora). Rozpoznane zasoby paliw jądrowych wystarczą na długi, trudny do określenia, okres. Problem zasobów surowców energetycznych przestanie odgrywać jakąkolwiek rolę, jeżeli uda się opanować, na skalę techniczną, reakcję syntezy jądrowej.

Reakcje jądrowe, podobnie jak reakcje spalania, są źródłem energii cieplnej wykorzystywanej do otrzymywania pary. Generatory, sprzęgnięte z napędzanymi tą parą turbinami, dostarczają energię elektryczną. Tak więc „produktem finalnym” zakładów jądrowych jest najwygodniejsza do transportu na duże odległości postać energii. Obecnie elektrownie jądrowe dostarczają 15−20 proc. energii elektrycznej (wciąż jednak dominującą rolę odgrywają elektrownie bazujące na procesach spalania – głównie węgla).

Masa urobku górniczego potrzebnego do otrzymania paliwa jądrowego, w porównaniu z masą paliw węglowych, których spalanie pozwala uzyskać równoważną ilość energii, jest o rzędy wielkości mniejsza. Obniża to w istotnej mierze koszty wydobycia i transportu. Natomiast kosztowne i technicznie trudne jest przetwarzanie tych rud. Kosztowna jest również budowa reaktora oraz systemu jego zabezpieczeń.

Wadą, najczęściej wymienianą, jest obawa awarii reaktora mogącej zniszczyć życie na znacznym obszarze oraz uniemożliwić je na dziesiątki lub setki lat. Najczęstszymi przyczynami awarii są błędy obsługi, wady konstrukcyjne lub materiałowe. Dąży się do ich wyeliminowania przez szkolenia załogi, coraz bardziej precyzyjną kontrolę pracy reaktora oraz przez wprowadzanie nowych, lepszych rozwiązań technologicznych i materiałów. Efektem tego jest zmniejszenie, lecz nie eliminowanie niebezpieczeństwa awarii. Nie ma też możliwości pełnego zabezpieczenia przed mało prawdopodobnymi, lecz możliwymi przyczynami awarii (np. zamach terrorystyczny, katastrofa i upadek samolotu na budynek reaktora, trzęsienie ziemi itp.). W przypadku wojny reaktory na terenie przeciwnika, zwłaszcza gdy są usytuowane w dużej odległości, byłyby prawdopodobnie jednymi z pierwszych celów ataku.

Trudny, wciąż nieznajdujący zadowalającego rozwiązania, jest problem zagospodarowania (składowania) zużytego, lecz nadal radioaktywnego, paliwa jądrowego. W przypadku energetyki opartej na spalaniu węgla problem zagospodarowania stałych pozostałości jest łatwiejszy.

Brakuje metody umożliwiającej bezpośrednią konwersję energii, uzyskiwanej w wyniku rozpadu jądrowego, w energię mechaniczną (jak np. przetwarzanie energii reakcji spalania w silnikach spalinowych) lub elektryczną. Duże rozmiary (objętościowo i wagowo) reaktorów oraz sprzęgniętych z nimi zespołów pozwalających otrzymywać energię mechaniczną uniemożliwiają zastosowanie ich w trakcji samochodowej, w kolejnictwie itp. Możliwość taka istnieje jedynie w przypadku dużych jednostek pływających. Należy jednak pamiętać, że katastrofa statku z napędem jądrowym stwarza zagrożenie skażenia znacznego akwenu.

Inne źródła energii

Do XIX wieku, epoki pary i elektryczności, jedynymi zastępującymi pracę mięśni dostarczycielami energii potrzebnej do poruszania młynów, pomp (odwadnianie kopalń i terenów zalewowych), młotów, miechów dmuchających powietrze do pieców hutniczych, foluszy itp. były przepływ wody i wiatr. Obecnie są one wykorzystywane głównie do napędu turbin i wiatraków, które, sprzęgnięte z generatorami, dostarczają energię elektryczną. Większy jest w tym udział elektrowni wodnych, jednak ich działanie ogranicza się do rejonów, w których istnieją rzeki o dużym przepływie wody.

W XX w. podjęto również na szerszą skalę próby wykorzystania do celów komunalnych lub przemysłowych energii słonecznej oraz geotermalnej.

Energia słoneczna. W rejonach o dużym nasłonecznieniu stosuje się niekiedy układy rur, których odpowiednio przygotowana powierzchnia ułatwia absorpcję energii promieni słonecznych. Przepływająca przez te rury woda, nagrzewająca się do kilkudziesięciu stopni, jest zwykle wykorzystywana do celów komunalnych. Możliwe jest również wytwarzanie pary w kotłach wysokoprężnych ogrzewanych energią słoneczną skupianą na nich za pomocą układu luster parabolicznych. Układy takie mogłyby być efektywne jedynie na terenach o stałym dużym nasłonecznieniu.

Bezpośrednią konwersję promieniowania słonecznego w energię elektryczną umożliwiają fotokomórki. Zestawiane z nich „baterie słoneczne” posiadają, przy standardowym naświetleniu, moc do stu kilkudziesięciu watów na metr kwadratowy (tj. do 2 MW na hektar). Metoda ta nadaje się więc do dodatkowego zasilania małych obiektów, np. gospodarstw domowych (baterie instalowane na dachach). Pozyskiwanie mocy rzędu setek MW lub nawet więcej, na potrzeby dużych miast lub zakładów przemysłowych, wymagałoby instalowania baterii zajmujących ogromne powierzchnie. Spotykane niekiedy twierdzenie, że można pozyskiwać duże ilości energii instalując baterie na dziesiątkach tysięcy hektarów nieużytków, jest mało realistyczne. Kosztowna i uciążliwa byłaby konserwacja takiego układu – usuwanie nalotu pyłów (np. piasku nawiewanego w rejonach pustynnych), warstw śniegu, naprawy uszkodzeń spowodowanych opadami deszczu lub gradu, korozji kontaktów i okablowań itd. Poza tym pozbawienie gleby ciepła słonecznego na tak dużych obszarach powodowałoby zanik roślinności oraz mogłoby być przyczyną lokalnych zaburzeń klimatycznych.

Baterie słoneczne pracują jedynie w ciągu dnia, przy czym ich moc zmienia się ze zmianą natężenia padającego na nie promieniowania słonecznego. W efekcie, im dalej od równika są usytuowane, tym mniej dostarczają energii (dłuższe noce, dłuższe okresy jesienno−zimowego słabego nasłonecznienia).

Energia geotermalna. W niektórych regionach już na głębokościach kilkuset metrów istnieją silnie nagrzane porowate warstwy skał. Zawartą w nich energię cieplną można pozyskać tłocząc wodę przez rury umieszczone w specjalnych odwiertach oraz odpompowując nagrzaną do około 100o C przez inne odwierty. Wodę tę, krążącą w zamkniętym obiegu, wykorzystuje się zazwyczaj do ogrzewania osiedli lub niewielkich miasteczek. Pozyskiwanie w ten sposób energii w ilościach o rzędy wielkości większych (na potrzeby dużych aglomeracji miejskich lub zakładów przemysłowych) mogłoby powodować powstawanie znacznych naprężeń w schładzanych warstwach skalnych, stwarzając niebezpieczeństwo wywoływania ruchów tektonicznych. Konieczne jest więc uprzednie przedyskutowanie tych kwestii w gronie geologów, geofizyków, sejsmologów oraz przeprowadzenie analizy komputerowej z zastosowaniem odpowiednio pomyślanych układów modelowych. Występujące w naturze wody geotermalne mają praktyczne znaczenie jako źródło energii jedynie w niektórych regionach (np. Islandia).

Złudzeniem jest pogląd, że alternatywną metodą pozyskiwania energii są ogniwa wodorowo−tlenowe (bezpieczne dla środowiska, gdyż produktem zachodzącej w nich reakcji jest para wodna) przetwarzające bezpośrednio część energii reakcji łączenia wodoru i tlenu w energię elektryczną. W rzeczywistości jest to metoda wtórna. Otrzymywanie potrzebnego do ich działania wodoru – np. przez elektrolizę, z gazu koksowniczego, przez reakcję C + H2O itp. – wymaga nakładu energii otrzymywanej jednym z klasycznych sposobów (a więc kosztem dodatkowej „produkcji” CO2 lub pracy reaktorów).

Ogniwa wodorowe stanowią jednak wielką, od dziesiątków lat niespełnioną, nadzieję przemysłu motoryzacyjnego oraz środowisk ekologicznych. Pozwoliłyby one zastąpić miliony krążących po drogach samochodowych „emiterów” CO2. Otrzymywanie potrzebnego do tego wodoru, np. na drodze elektrolizy, wymagałoby jednak spalania co najmniej równoważnych ilości tradycyjnych paliw, w dużych zakładach energetycznych dostarczających potrzebny do elektrolizy prąd. Wyrażany jest pogląd, że lokalizacja procesów spalania stwarzałaby nadzieję możliwości uniknięcia emisji CO2 do atmosfery. Wymagałoby to opracowania ekonomicznie realnej metody usuwania tego gazu ze spalin, jak również metody jego składowania (np. pod ziemią?). Wydaje się, że na razie brak zadowalającego rozwiązania tych problemów.

Koszt eksploatacji pojazdów napędzanych przez istniejące obecnie ogniwa jest wyższy od kosztów eksploatacji silników benzynowych lub ropnych. Należy również brać pod uwagę kwestie bezpieczeństwa. Nie chciałbym uczestniczyć w kraksie samochodów wyposażonych w butle ze sprężonym wodorem i tlenem.

decyduje społeczeństwo

Dalszy rozwój energetyki wydaje się być nieunikniony. Jest mało prawdopodobne, aby społeczeństwa były skłonne zaakceptować ograniczenie zużycia energii pociągające za sobą rezygnację z wygód i udogodnień życia, do których tak przywykliśmy, że przestaliśmy już je zauważać.

W ciągu najbliższych dziesięcioleci głównymi dostarczycielami energii będą prawdopodobnie nadal procesy spalania surowców węglowych i reaktory. Jeszcze pod koniec roku 2008 wydawało się, że uprzywilejowanym kierunkiem będzie rozwój energetyki jądrowej. Załamanie gospodarki światowej spowoduje zapewne ograniczenie budowy nowych reaktorów. Z tego samego powodu ulegną zapewne ograniczeniu (zostaną wstrzymane?) prace nad usuwaniem CO2 ze spalin i nad metodami jego magazynowania.

Nadal powinny być prowadzone prace nad pozyskiwaniem energii z innych źródeł. Wydaje się jednak, że dominującą pozycję w ogólnym bilansie zachowa energetyka oparta na procesach spalania i reakcjach jądrowych (z zachowaniem obecnych proporcji).

Do społeczeństwa, możliwie obiektywnie informowanego, powinna należeć decyzja, który sposób pozyskiwania energii należy rozwijać w sposób uprzywilejowany. Naiwnością i wprowadzaniem społeczeństwa w błąd jest wyrażany niekiedy pogląd, że można zachować korzyści cywilizacji technicznej (produkcja przemysłowa, komunikacja, liczne udogodnienia w gospodarstwach domowych itp.), osiągane kosztem zużycia ogromnych ilości energii, unikając ubocznych szkodliwych skutków i zagrożeń związanych z pozyskiwaniem tej energii.