Janusz Y. Ostrowski - Energia: główny problem naszej cywilizacji

Energia: główny problem naszej cywilizacji

Autor: Janusz Y. Ostrowski

Występowanie źródeł energii lub ich brak stały się przyczyną i miernikiem władzy, skrajnego bogactwa, skrajnej nędzy oraz konfliktów zbrojnych.

Z powodów teoretycznych i praktycznych - strategicznych i ekologicznych – źródła energii należy podzielić na kilka bardzo różnych grup. Kolejno scharakteryzujemy i omówimy te grupy z punktu widzenia ich znaczenia dla stanu i rozwoju cywilizacji. Do I grupy trzeba zaliczyć źródła „brudne”, które:
a. dostarczają energię ze spalania;
b. zawierają dużo cennych substancji, które są niszczone;
c. zanieczyszczają biosferę (a więc i organizmy ludzi, zwierząt i roślin);
d. są nierównomiernie rozłożone w niewielu regionach;
e. są wyczerpywalne (nieodnawialne) i w końcu ich zabraknie;
f. wymagają kosztownego i narażonego na awarie transportu;
g. ceny ich podlegają manipulacjom polityczno- ekonomicznym.

Źródła te to głównie: ropa naftowa, węgiel i gaz. Są one od niemal 100 lat przyczyną międzynarodowych konfliktów.

II. grupy trzeba zaliczyć źródła „czyste”:
a. nie oparte na spalaniu;
b. dostępne w bardzo wielu regionach;
c. są niewyczerpywalne odnawialna;
d. rozwojowe (wiele metod wykorzystani);
e. niekonfliktowe;
f. nie wymagają transportu (same się transportują);
g. ceny ich maleją.

Źródła te to: słońce, wiatr, woda, geotermy oraz wodór.

I. Grupa źródeł energii

I.1) Ropa naftowa to paliwo kopalne, z którego uzyskuje się: benzynę, naftę, oleje opałowe oraz setki cennych związków chemicznych, których spalanie jest marnotrawieniem bogactwa Ziemi oraz zatruwaniem atmosfery, wody, gleby oraz ludzi i zwierząt. Substancje zawarte w niespalonej ropie są podstawą do produkcji rozpuszczalników, farb, żywic i włókien, mydeł, środków czystości, wosków, nawozów, preparatów farmakologicznych, kosmetyków, klejów i wielu innych materiałów.

Liczące się złoża ropy występują tylko w 18 krajach, przy tym około 58% zasobów światowych przypada na 5 krajów tzw. Bliskiego Wschodu: Arabię Saudyjską (20%), Irak, Kuwejt, Iran i Zjednoczone Emiraty Arabskie. Razem na Europę, Rosję i obie Ameryki przypada tylko ok. 30% ropy światowej; na Afrykę ok. 9%.

Ropa z Morza Północnego odkryta i eksploatowana od roku 1975 głównie przez Wielką Brytanię i Norwegię przyniosła duże korzyści obu tym krajom, pomimo trudnych, kosztownych, a nawet niebezpiecznych konstrukcji platform wiertniczych. W roku 1980 silny sztorm zatopił platformę wiertniczą Alexander Kielland zabijając 123 osoby. W roku 1988 wybuch gazu zniszczył platformę Piper Alpha zabijając 167 robotników. Pomimo tych tragedii wydobywanie ropy z Morza Płn. uznano za sukces.

Całkowita światowa produkcja ropy wynosi dziennie ok. 80 milionów baryłek = 10 milionów ton. Oznacza to, że co dzień jest opróżniany gigantyczny zbiornik o wysokości 100 m (30 piętrowy dom), szerokości 300 m i długości 400 m (na podstawie:„American Energy”, Worldwatch Institute, EX, 2006).

Warto zauważyć, że Rosja i USA produkują prawie taką samą ilość ropy, ale Rosja zużywa tylko ok. 40%, a 60% sprzedaje, natomiast USA przeciwnie, musi dokupić ok. 60%. Chiny produkują tylko ok. 40% zapotrzebowania, które stale silnie rośnie. Widzimy więc, jak korzystna jest sytuacja Rosji na rynku ropy naftowej.

Pomimo ustaw ograniczających konsumpcję energii uzyskanych ze spalania kopalnych źródeł energii (ropy, gazu i węgla) ok. 80% energii USA jest czerpane z tych źródeł (40% ropa, a węgiel i gaz po 20%).

Stosunek produkcji do zużycia ropy w różnych rejonach świata wygląda następująco:
(produkcja): (zużycie)
Bliski Wschód 5 - Stany Zjedn. 0,38
Afryka 2,9 - Europa 0,4
Rosja 2,5 - Australia i Azja 0,4
(Na podstawie: „Energy Information Administration, USA” oraz „Wielka Encyklopedia PWN”, 2004).

Od wielu lat toczą się próby odpowiedzi na pytanie: na ile lat wystarczą zasoby ropy w poszczególnych rejonach? Są oceny mówiące, że ropy wystarczy na 40 lat, inne zakładają, iż są to zasoby na 200 lat. Problem wyczerpywania się zasobów ropy i węgla jest trudny do oceny, bowiem wyniki badań są nie tylko niepewne wskutek braku odpowiedniej metody, ale przede wszystkim manipulowane przez ośrodki ekonomiczno-polityczne. OPEC - organizacja głównie krajów arabskich - produkujących ok. 40% ropy, zawyżyła swoje oszacowania rezerw z rzeczywistych 400 mld baryłek do 700 mld. Olbrzymi koncern Shell w roku 2002 oszacował swoje złoża na ok. 19,4 mld baryłek, a w roku 2005 przyznał się do tylko ok. 13 mld. W obu przypadkach oszukiwano w celu zwiększenia cen.

Możliwie obiektywne dane wskazują:
miliony ton rocznie

A więc ropy starczy na około: 165.000: 3.300 = 50 lat.

Produkcja i ceny ropy są narzędziem wielkich manipulacji ekonomiczno-politycznych. W latach 1949-70 baryłka ropy (ok. 159 litrów) kosztowała 1,9 dolara, w 1973 roku - 3 dolary, w 1974 - 11 dolarów. W roku 1980 cena ropy była prawie 5-krotnie wyższa niż w latach 70. W marcu 2006 r. cena skoczyła aż do 70 dolarów. Warto wspomnieć, że wydobycie jednej baryłki ropy w Arabii Saudyjskiej kosztuje tylko około 0,15 dolara (wg. „Vital Signs, 2006-2007, The Worldwatch Institute; „Oil and Gas Jounral”, l, January 2006.).

Spalanie ropy (głównie benzyny i olejów napędowych) wprowadza rocznie do atmosfery miliardy ton CO2, CO (czad) i innych szkodliwych substancji. Tylko USA. emituje do atmosfery rocznie (rok 2000) ok. 5,8 miliarda ton węgla; jest to 2,4-krotny wzrost w stosunku do roku 1950. („American Energy”, Worldwatch Institute, IX, 2006).

Zbyt często powtarzające się katastrofy tankowców transportujących ropę zatruwają powierzchnię oceanów, uniemożliwiają na przestrzeni tysięcy kilometrów przenikanie światła i tlenu w głąb, zabijając ryby, ptaki i ssaki morskie. Podsumowując, co roku „regularnie” wskutek nieszczelności tankowców i licznych przeładunków wycieka na zewnątrz (głównie do morza) olbrzymia ilość ropy. W ciągu ostatnich 22 lat (od r. 1979 do 2002) „wyciekło” ok. 2,5 mld ton ropy (średnio ok. 114 milionów ton rocznie, (na podstawie The Word Almanac, 2004).

Pomimo tych wszystkich, przykładowo jedynie podanych, wysoce negatywnych, często tragicznych, zjawisk-wydarzeń, produkcja i konsumpcja ropy nie maleje i nadal utrzymuje się na wysokości ok. 80 milionów baryłek (10 milionów ton) dziennie.

I.2) Spalanie węgla (kopalnego, kamiennego, brunatnego) również zanieczyszcza biosferę setkami milionów ton CO (czad), CO2 i wieloma innymi szkodliwymi substancjami, w tym również promieniotwórczymi; a również niszczy wiele cennych związków organicznych. Z węgla produkować można gaz koksowniczy (wysokokaloryczne paliwo), koks oraz smołę, która zawiera około 200 cennych substancji używanych do produkcji tłuszczów, mydeł, barwników, lekarstw, aromatów, tworzyw sztucznych, środków owadobójczych i innych cennych substancji.

Spalanie tylko węgla dostarcza do atmosfery ok. 10 miliardów ton gazu CO2 rocznie; jest to ilość gazu w gigantycznym zbiorniku o wys. 300 m (wys. 100 piętrowego gmachu), szer. 100 km i dług. 183 km; natomiast każdego dnia „opróżniany” jest do atmosfery gaz ze zbiornika o wymiarach: wys. 100 m, szer. 10 km i dług. 15 km.

(Na podstawie: D.G. Hawkins, D.A. Lashof, R.H. Williams; „Scientific American”, Sept. 2006).

Spalanie węgla emituje rocznie do atmosfery tylko w Ameryce ok. 50 ton rtęci (ok. 4 m³ ciekłej rtęci), która jest pierwiastkiem wysoce toksycznym i pozostaje długo w ekosystemie. Emitowane też są zatruwające atmosferę związki siarki, które są przyczyną kwaśnych deszczów niszczących lasy. Złoża węgla zawierają często szkodliwe dla zdrowia substancje promieniotwórcze; najczęściej rad i tor. Spalaniu węgla towarzyszą więc - w różnych rejonach w różnym stopniu - promienie alfa (jądra helu), beta (swobodne elektrony) oraz gamma (bardziej przenikliwe niż promienie rentgena). Problem ten dotyczy również Śląska, gdzie zachorowalność na nowotwory jest większa niż w innych rejonach Polski.

Liczące się złoża węgla występują tylko w 16 krajach. Cztery z nich: Chiny i Korea Płn., Rosja i USA wydobywają około 45% węgla światowego. Jeśli dodamy do tego: Niemcy, Indie, Australię, Polskę i RPA, to w rękach tych 9 krajów znajdzie się około 80% złóż. Na całym świecie rocznie wydobywa się i prawie w całości spala ok. 4,5 mld ton węgla. W Niemczech, najliczniejszym i najbogatszym kraju Europy, około połowy (48%) energii elektrycznej tworzy się w elektrowniach węglowych; a ok. 38% z elektrowni jądrowych. Polska należy do krajów najbardziej zatruwanych spalaniem węgla. Niemcy ostatnio dość intensywnie, przechodzą do czystych źródeł energii - wiatru i słońca. Natomiast w Polsce rozwój tych źródeł energii jest, niestety, nadal zbyt powolny. W Polsce aż 94% energii elektrycznej powstaje ze spalania węgla; jest to liczba najwyższa (a więc „najgorsza”) na świecie?

Zasoby węgla są trudne do oszacowania (podobnie jak zasoby ropy), podlegają też manipulacjom polityczno-ekonomicznym; przyjmuje się, że przy obecnym zużyciu starczy węgla jeszcze - niestety - aż na ok. 250 lat; w tym w Polsce na ok. 100 lat a w Rosji na ok. 500 lat. (Na podstawie, głównie ale nie jedynie, „World Coal Institute”).

Trzeba też dodać, że praca w kopalniach węgla jest niebezpieczna i szkodliwa. Co roku giną setki górników na całym świecie i nieznane są metody, które mogłyby zapewnić pełne bezpieczeństwo. Tylko w latach 1906-1942 zginęło w kopalniach świata aż 3010 górników. W największej katastrofie we Francji w roku 1906 zginęło 1099 górników; a w Chinach w największej katastrofie górniczej na świecie w roku 1942 zginęło 1549. W Polsce w latach 1979-2006 zginęło 217 górników.

Głębokość kopalń osiąga nawet 1300 m (Wielka Brytania). Nieunikniony kontakt górnika z węglem, węglowodorami, pyłem i siarkowodorem wywołuje często raka skóry i choroby płuc.

I.3) Gaz ziemny w nieco mniejszym stopniu niż ropa i węgiel zanieczyszcza biosferę i płuca ludzi. Tutaj też liczy się produkcja tylko 20 krajów. Dwa z nich, USA i Rosja, produkują aż 57% gazu światowego. Jeśli dodamy jeszcze 7 krajów: Kanadę, Algier, Indonezję, Holandię, Wielką Brytanię, Arabię Saudyjską, Iran to tych 9 (5% wszystkich) krajów produkuje ok. 90% światowego gazu. Produkcja gazu ziemnego wzrosła w latach 1984-1994 o 30%. Obecnie całkowita roczna światowa produkcja gazu wynosi ok. 2300 km³ (gigantyczny zbiornik o wys. l km, szer. 46 km i dług. 50 km). Dziennie produkuje się ilość gazu w zbiorniku o: wys. 300 m (100 piętrowy dom) x szer. 4 km x dług. 5,25 km.

Niestety, coraz więcej gazu eksploatuje się spod dna oceanów, co może dodatkowo zagrozić tamtejszemu życiu, bowiem część gazu ulatnia się do wody.

Produkcja trzech zanieczyszczających źródeł energii (licząc w ekwiwalentach ton ropy) wzrosła od roku 1950 do 2003 aż 5-krotnie: z 1,7 mld ton do 8,5 mld ton rocznie. Obecnie ulega różnym koniunkturalnym wahaniom. W ciągu ostatnich 20 lat konsumpcja ropy wzrosła o ok. 32%, węgla o 35%, gazu o 75%. Dla porównania podamy wzrost produkcji energii otrzymywanej z wiatru i ze Słońca metoda baterii fotowoltaicznych: energia z wiatru wzrosła aż 80-krotnie w ciągu 20 lat, a 3,5-krotnie w ciągu 5 lat osiągając wartość 8,2GW (8,2 109 W). Energia z baterii fotowoltaicznych wzrosła 3,8-krotnie w ciągu 5 lat osiągając wartość 4,4 GW. (Michael Parfit, „National Geographic”, Aug. 2005).

Zanieczyszczające źródła energii: ropa naftowa, węgiel kamienny i gaz ziemny dostarczają rocznie do atmosfery ok. 20 mld ton gazu CO2, który jest głównym gazem cieplarnianym absorbującym część podczerwonego promieniowania słonecznego odbitego od powierzchni Ziemi. Warto wspomnieć, że bez dwutlenku węgla i pary wodnej w atmosferze, temperatura powierzchni Ziemi wynosiłaby ok. minus 18°C. Wybuchy wulkanów już od paru miliardów lat wprowadzają do atmosfery gazy cieplarniane. Oznacza to, że zwiększenie stężenia gazów cieplarnianych ponad obecną wartość może podwyższyć temperaturę atmosfery, co spowoduje topnienie lodowców i w konsekwencji wzrost poziomu oceanów i zalanie niżej położonych terenów. Trzeba jednak stwierdzić, że opisywany scenariusz ocieplania atmosfery wskutek cywilizacyjnej produkcji CO2 nie jest w pełni naukowo uzasadniony.

Wielkie zmiany klimatyczne w historii biosfery (np. epoki lodowcowe) były - i zapewne będą - wynikiem zmiennej działalności naszego Słońca, oraz wulkanów, a nie człowieka. W ostatnim tysiącleciu był okres ocieplenia między X a XIII wiekiem oraz okres oziębienia między XIV a XVIII wiekiem, kiedy średnia temperatura powietrza była prawie o 1,5 stopnia niższa niż obecnie.

Ważny dla całej biosfery i cywilizacji problem ocieplania się - czy, ogólniej mówiąc, zmiany klimatu - i rola w tym procesie Słońca, wulkanów i działalności człowieka jest trudny, badany i kontrowersyjny. Oprócz badań naukowych prowadzonych przez kilka grup uczonych, obserwuje się wpływy, a nawet naciski polityczne i ekonomiczne. „Po ogłoszeniu w Paryżu raportu IPCC, z którego wynika, że klimat na Ziemi ociepla się głównie z winy człowieka, w Londynie zebrała się grupa badaczy, aby poinformować, że przekonujących na to dowodów nie ma. Najprawdopodobniej na zmiany klimatu na Ziemi główny wpływ mają procesy zachodzące na Słońcu”. (IPCC – Intergovernmantal Panel on Climate Change – jest organizacją powołaną przez rządy, nie przez naukę; uczeni są tylko zapraszam do pracy).

Polscy naukowcy są ostrożni w formułowaniu wniosków. „Należę do tej grupy naukowców, którzy uważają, że zmiany klimatu mają przede wszystkim podłoże naturalne ...i tylko w niewielkim stopniu przyczynia się do tego człowiek” (prof. Halina Lorenc, Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej); „Za obecne ocieplenie, odpowiadają czynniki naturalne, takie jak wzrost promieniowania słonecznego, aktywność wulkaniczna, czy też zmiana ogólnej cyrkulacji atmosfery, jak i działalność człowieka” (prof. Rajmund Przybylak z Uniwersytetu im. M. Kopernika w Toruniu, który próbuje odtworzyć dzieje klimatu na ziemiach polskich w ciągu ostatniego tysiąclecia. Zgadza się on, że człowiek ma pewien wpływ na klimat, ale jak duży, nie wiadomo); prof. Zbigniew Jaworowski (Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej) uważa, ze obecny wzrost temperatury na Ziemi to wyłącznie efekt większej aktywności Słońca.

Należy jednak pamiętać i uwzględnić to, że lokalnie nad wieloma rejonami, w szczególności nad wielkimi miastami stężenie szkodliwych gazów tworzonych przez przemysł bywa znacznie wyższa od średniej światowej. A sytuację w wielu rejonach znacznie pogarsza wycinanie lasów.

I.4) Spalanie drewna, głównie w celach opałowych i do przyrządzania pokarmów, mniej zanieczyszcza atmosferę niż spalanie ropy, węgla i gazu. Spalanie drewna przyczynia się jednak w znacznym stopniu do wycinania lasów. Około połowy drewna z wycinanych lasów jest spalana w biednych krajach Trzeciego Świata. Trzeba też pamiętać, że drewno jest bardzo cennym materiałem budowlanym oraz głównym surowcem (ok. 90%) do produkcji papieru, którego zużycie ciągle rośnie. Świat zużywa rocznie około 200 mln. ton papieru.

Wszystkie cztery wymienione surowce dostarczają światu ok. 85 proc. energii, w tym: ropa ok. 33 proc., węgiel ok. 25 proc., gaz ziemny ok. 17 proc. drewno ok. 10 proc.

II. Grupa źródeł energii

II.1) Energia wiatru, WE, od zarania dziejów aż do dziś używana jest do komunikacji morskiej (wszelakiego rodzaju żaglowce) oraz do mielenia zbóż i pompowania wody.

Wiatry wystarczające do wydajnego poruszania odpowiednio zbudowanych śmigieł wieją w bardzo wielu rejonach świata. W Polsce ok. 60% powierzchni kraju ma odpowiednie warunki do rozwoju energetyki wiatrowej. Mimo to rozwój elektrowni wiatrowych w Polsce jest słaby (obecnie pracuje ok. 120 małych i kilka większych elektrowni). Coraz więcej krajów, w tym głównie Niemcy, Hiszpania, Holandia, Dania oraz Wielka Brytania wykorzystują energie wiatru. W 2003 r. już ok. 12 mln. domów w Europie czerpało energię elektryczną z wiatru.

Niektóre stany USA budują systemy liczące setki wiatraków, których prądnice zaopatrują w energię elektryczną okoliczne osiedla. W stanie Iowa powstaje olbrzymia „farma wiatrowa” o 200 turbinach, które zaopatrzą w energię ok. 90 tys. domów.

Ilość energii uzyskana z wiatru wzrosła w latach 1997-2003 ok. 5-krotnie, osiągając wartość ok. 40000 MW; a w latach 1990-2005 wzrosła aż 12-krotnie, osiągając wartość ok. 60 GW. Już wiatr o prędkości 14 km/godz. może uruchomić elektrownię wiatrową. Jedyną wadą wiatraków jest generowanie długich fal akustycznych, które zaburzają życie niektórych ptaków, ssaków. Problem ten próbuje się rozwiązać budowaniem specjalnych kształtów śmigieł.

Opracowywane są projekty wykorzystania silnych wiatrów stale wiejących na wysokości ok. 10 km; będą to specjalne „latające wiatraki”. Pierwsze pomiary wskazują, że może to stać się olbrzymim źródłem energii.

III. Energia ruchu wody

Wodospady - naturalne i sztuczne, hydroelektrownie. Od wielu wieków naturalne wodospady wykorzystywane były do poruszania kół z łopatami, które napędzały żarna młyńskie. W wielu regionach globu, zwłaszcza w terenach górzystych, wielkie prądnice napędzane spadającą wodą są czystym źródłem energii elektrycznej. Jedyną wadą jest to, że tamy na rzekach i powstałe zbiorniki wody dość często powodują zaburzenia w środowisku przyrodniczym. Do rachunku ekonomicznego przy budowaniu elektrowni wodnych należy wliczać przewidywane straty ekologiczne, bowiem w niektórych rejonach mogą one przekroczyć oczekiwane korzyści ekonomiczne, np. utrudnione są wędrówki łososi i jesiotrów natarło.

Fale morskie - ruch wody wywoływany przez wiatr. Jest to źródło mało wydajne, ale stosowane w kilku krajach.

Pływy morskie - ruch wody w morzach wywoływany przez Księżyc i Słońce. W niektórych miejscach przybrzeżnych (np. w Zatoce Fundy u wybrzeży Kanady) różnica poziomów wody morskiej między przypływem i odpływem dochodzi do około 16 m, co wywołuje rodzaj wodospadu, który można wykorzystać do napędzania odpowiednio zbudowanych prądnic. Wydajność tego typu źródeł nie jest duża, jednak jedno z nich – położone we Francji - ma moc 100 MW.

IV. Energia słoneczna cieplna (heliotermalna)

Wykorzystywana jest w różnego rodzaju kolektorach ogrzewanych promieniami słonecznymi. Słońce wysyła w kierunku Ziemi w ciągu sekundy olbrzymią energię promienistą. Jeśli uwzględnimy wszystkie straty takie jak: pochłanianie i odbijanie atmosfery, okresy nocy tylko 5% wydajność kolektorów, oznacza to, że wykorzystujemy tylko 1% energii padającej na górne warstwy atmosfery. Tak więc z l km² powierzchni Ziemi otrzymamy energię 1200 MJ w ciągu dnia (ok. 14 kW). Natomiast z powierzchni stanowiącej 14% pustym Sahary pokrytej kolektorami słonecznymi można by otrzymać energię ok. 4x 1020 J (10 do potęgi 20) rocznie. Jest to, w przybliżeniu, całkowita energia, jaką obecnie świat rocznie zużywa.

Słońce jest gigantycznym źródłem energii. W ciągu jednej sekundy w Słońcu „wybucha 100 milionów bomb wodorowych produkowanych przez człowieka”. Energia promienista jaką Słońce wysyła w przestrzeń kosmiczną w ciągu jednej sekundy, mogłaby zaspokoić całkowite zapotrzebowanie na energię dla całego świata przez 20 milionów lat. Natomiast w kierunku Ziemi Słońce wysyła w ciągu jednej minuty energię, która - przy tylko 1% jej wykorzystaniu - może zaspokoić roczne światowe zapotrzebowanie!

Kolektory umieszczone na dachach lub na ziemi składają się z ciemnych rurek (miedzianych, gumowych, lub plastykowych), w których płynie woda (lub niezamarzająca ciecz) ogrzewana przez promienie słoneczne. Ogrzana woda spływa do dużych zbiorników, z których może być pobierana do użytku domowego. Jest to prosty, ale mało wydajny sposób wykorzystania ogrzanej wody. O wiele lepszą metodą jest umieszczenie w dużym zbiorniku (np. o wymiarach 1mx 1mx 3m) z ogrzewaną wodą wymiennika pompy cieplnej. Pompa cieplna jest to, mówiąc obrazowo, „odwrócona lodówka”: otwarte drzwi zanurzone w gorącej wodzie czerpią z niej ciepło ochładzając ją, natomiast gorąca sprężarka ogrzewa pomieszczenie. Już przy temperaturze wody 30°C w zbiorniku, w którym umieszczony jest wymiennik, wydajność jest dwukrotna, tzn. połowę energii dostarcza prąd elektryczny sprężarki, a pozostałą część Słońce. W Szwecji budowane są stawy o powierzchni kilkuset metrów kwadratowych pokryte „kocami” przepuszczającymi promienie słoneczne; w stawach umieszczone są wymienniki ciepła pompy cieplnej.

W Polsce mamy spore zaniedbania w tej dziedzinie, ale np. na dachu budynku schroniska na Ornaku zbudowano 14 kolektorów słonecznych. Oprócz prostych w konstrukcji kolektorów płaskich używa się systemu zwierciadeł parabolicznych, które skupiają promienie na zbiorniku z wodą, wytwarzając parę, która porusza prądnice.

Energia słoneczna - helioelektryczna

(„fotowoltaika”), PV. W bateriach półprzewodnikowych ogniw fotowoltaicznych (photovoltaic) energia promieni słonecznych zamienia się wprost w energię elektryczną. Jest to najprostszy sposób wykorzystania energii słonecznej do prawie wszystkich celów, np. jest to jedyne źródło energii sztucznych satelitów, sond i stacji kosmicznych.

Zestawy baterii fotowolteicznych, podobnie jak kolektory termiczne, buduje się na dachach lub ustawia na ziemi. Uzyskaną energię elektryczną gromadzi się w akumulatorach lub przetwarza w specjalnych generatorach.

W latach 1997-2004 ilość energii uzyskanej na świecie tylko z urządzeń fotowoltaicznych wzrosła ok. 5-krotnie. Natomiast koszt wyprodukowania jednostki energii l wata spadł 10-krotnie w ciągu ostatnich 25 lat. W Japonii, która przoduje w produkcji i wykorzystywaniu energii słonecznej, liczba wniosków do władz z prośbą o częściowe pokrycie kosztów zakupu baterii słonecznych wzrosła w ciągu 6 lat ok. 20-krotnie.

W początku roku 2007 - udało się zwiększyć znacznie, z 22% aż do 40,7% wydajność baterii fotowoltaicznych. Dzięki temu koszt produkcji kilowatogodziny elektryczności spadnie do 8 centów. (A. Herro, „Worldwatch”, March/April 2007).

Na świecie z baterii fotowoltaicznych produkuje się rocznie (rok 2005) ok. 1730 MW energii; jest to ok. sześciokrotny wzrost w stosunku do roku 2000. Jest to nadal mało (ok. 0,5%) w porównaniu z ok. 370 GW (3,7 10¹¹ W) energii produkowanej na świecie przez 440 reaktorów jądrowych.

W Europie w wykorzystaniu energii słonecznej przodują Niemcy. W tym kraju w ciągu ostatnich 10 lat produkcja kolektorów słonecznych wzrosła 9-krotnie. Wykonywany jest też program 100 tysięcy dachów pokrytych kolektorami. Warto wspomnieć, że dach pokryty bateriami fotowoltaicznymi produkuje moc l MW (10 tys. żarówek 100 watowych) (Guinness World Record 2002). Wahadłowiec amerykański jest połączony z rosyjską stacją orbitalną Mir z wielkimi skrzydłami fotowoltaicznych baterii słonecznych.

W Portugalii i w Niemczech powstają nowoczesne elektrownie słoneczne o mocy ok. 120 MW.

W ciągu ostatnich dwóch lat (2002-2004) w Polsce nastąpił - wielce spóźniony i na razie słaby-wzrost produkcji energii z czystych źródeł odnawialnych. Obliczenia naszych specjalistów wskazują, że czysta energia odnawialna może zaspokoić zapotrzebowanie Polski w ok. 60%, w tym: 32% będzie stanowić energia słoneczna (obu typów – termalna i fotowoltaiczna), 12% - energia wiatru i geotermalna, a resztę, ok. 16%, będzie pochodzić z energii biomasy i spadku wody.

V. Geotermiczne źródła gorącej wody

W Polsce - nie tylko na Podhalu – są bardzo liczne źródła geotermiczne o temperaturze wody ok. 60°C i wyższej. Wydaje się, że najbardziej ekonomiczną metodą będzie tworzenie zakrytych basenów z gorącą wodą, w których umieści się wymienniki ciepła pompy cieplnej. W Polsce dotychczas zbyt rzadko wykorzystuje się termiczne źródła oraz powstają ambitne plany. W ostatnich latach na instalacje geotermiczne na świecie wydano ok. 22 mld dolarów.

VI. Biomasy roślinne

Głównie chodzi tu o wierzbę krzewiastą (Salix viminalis), która ma bardzo duży przyrost biomasy w ciągu roku (około 14-krotnie wyższy niż las naturalny; ok. 40 ton z hektara). Spalanie tej wierzby jest najprostszą i niewiele zanieczyszczającą metodą otrzymywania energii. Nie jest to jednak metoda najlepsza - dostarcza tylko energii cieplnej i stanowi źródło dioksyn (organiczne związki toksyczne o działaniu rakotwórczym). Najlepszą, ale i najbardziej złożoną metodą jest zgazowanie rośliny w specjalnych urządzeniach. Ocenia się, że uprawa tego „zielonego węgla” to wielka szansa dla polskiego rolnictwa energetyki i biznesu („Glob Energy”, 02-03.2003).

VII. Atom

Oddzielną grupą współczesnych źródeł energii jest energia uzyskiwana z rozbicia ciężkich jąder atomowych (głównie uranu i plutonu); powstają przy tym lżejsze jądra, które, niestety, są promieniotwórcze. Same źródło energii nie zanieczyszczą biosfery. Pozostają jednak nie w pełni rozwiązane dwa ważne i trudne problemy.

Jeden problem, to powstający z rozpadu „popiół” promieniotwórczy, na którego składowanie nie znaleziono dotychczas odpowiedniego miejsca. W USA ze 123 reaktorów energetycznych w elektrowniach jądrowych 23 postanowiono zdemontować, co okazało się bardzo trudnym zadaniem z powodu odpadów promieniotwórczych zatruwających teren. Dobrą wiadomością jest to, że udało się - na razie w skali laboratoryjnej - jądra promieniotwórczych izotopów powstających w elektrowniach doprowadzić z powrotem do stanu normalnego, tzn. niepromieniotwórczego (wiadomość od prof. dr Waldemara Scharfa).

Drugim problemem jest zabezpieczenie elektrowni jądrowych przed atakiem terrorystycznym oraz niezamierzoną awarią. W obu przypadkach zatrucie atmosfery i terenu promieniowaniem jest wysoce niebezpieczne. Symulacje ataków wykazały słabość systemu zabezpieczeń. Kilka awarii nie spowodowało dużego zagrożenia.

Na świecie jest czynnych ok. 438 bloków energetycznych w elektrowniach jądrowych w 34 krajach. Pozwoliło to zmniejszyć spalanie zatruwającego biosferę węgla o około 150 mld ton oraz gazu ziemnego o 20000 km³. Warto wspomnieć, że z jednej tony uranu uzyskuje się energię równą spaleniu 1,5 miliona ton ropy.

Elektrownie jądrowe dostarczają ok. 370 GW, co stanowi ok. 16% energii elektrycznej produkowanej na świecie. Francja ok. 75% energii czerpie z elektrowni jądrowych, podobnie jak Litwa. Z kolei w Belgii stanowi to ok. 55%, w Szwecji ok. 46%. Od początku „ery atomowej” zamknięto ok. 116 bloków energetycznych z powodu ich starzenia się. Teren jednak po elektrowniach jądrowych pozostaje skażony.

W Polsce zaawansowana budowa bardzo dobrej elektrowni jądrowej została - z „niezrozumiałych” powodów - przerwana, co należy ocenić jako cios wymierzony polskiej energetyce. Warto zauważyć, że w pierścieniu między 100 km a 350 km od granic Polska otoczona jest ok. 40 elektrowniami jądrowymi w sąsiednich krajach: Litwa, Czechy, Słowacja, Niemcy, Szwecja, Węgry, Ukraina, Rosja.

W związku z przystąpieniem do Unii Europejskiej Polska jest zobowiązana zmniejszyć „czarną energię” (ropę naftową, węgiel, gaz ziemny), a powiększyć „białą” (słoneczną, wiatru, wody, geotermalną) z 2,7% do 7,5%. Nie będzie to łatwe.

VIII. Przyszłościowe źródła energii

Energia uzyskiwana ze spalania wodoru. Są to różne (ok. 6) rodzaje tzw. ogniw paliwowych. Głównym problemem techniczno-ekonomicznym jest metoda otrzymywania wodoru. Prace w tym kierunku są zaawansowane. Niektóre metody opłacalne z powodów czysto energetycznych są nie czyste z powodów ekologicznych. Wydaje się, że zastosowanie energii słonecznej do produkcji wodoru - np. do elektrolizy wody - jest opłacalne z powodów zarówno energetycznych, jak i ekologicznych. Warto przypomnieć, że łączenie ciekłego wodoru z tlenem jest głównym źródłem energii w silnikach rakiet kosmicznych. Produktem końcowym spalania jest para wodna. Japońskie firmy samochodowe wyprodukowały kilka modeli aut z silnikami, w których następuje łączenie wodoru z tlenem.

Energia uzyskiwana ze stacji słonecznych baterii fotowoltaicznych poza atmosferą Ziemi. Energia będzie przesyłana promieniowaniem mikrofalowym na powierzchnię Ziemi. Prace w tym kierunku są już zaawansowane. Isaac Asimov, (amerykański biochemik i pisarz, autor ok. 300 książek popularnonaukowych) skierował do prezydenta USA J. Cartera apel, w którym przedstawił dobrze opracowany projekt budowy satelitarnej fotowoltaicznej elektrowni słonecznej.

Potężna energia Wszechświata wnętrza Słońca i miliardów gwiazd powstająca z łączenia wodoru w hel; a następnie helu w beryl, lit, węgiel, tlen i inne cięższe pierwiastki, aż do żelaza. Konieczne jest do tego uzyskanie temperatury wielu milionów stopni oraz - co jest najtrudniejsze – kontrolowanie procesu (niekontrolowany jest bombą wodorową). Prace w tym kierunku są w toku. „Tymczasem” w Słońcu co sekunda wybucha sto milionów bomb wodorowych. Wspomnijmy też, że jeden tylko gram substancji, którą uda się zamienić całkowicie na energię, wystarczy na zasilanie 1000 żarówek 100 watowych przez 2 lata i 7 miesięcy; zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E = mc², gdzie m jest masą, c jest prędkością światła, E uzyskaną energią.

Wniosek końcowy jest następujący:

Trzeba dążyć do tego, aby cały świat całą energię czerpał jedynie ze źródeł czystych, odnawialnych, niewyczerpalnych, ogólnie dostępnych i niekonfliktowych: Jest to główne wyzwanie współczesnego świata.

Autor artykułu, prof. Janusz Y. Ostrowski jest fizykiem; działaczem społecznym, publicystą.

Res Humana nr 5/2007, s. 20-27