Globalny kryzys energetyczny – mit czy rzeczywistość?

W artykule przedstawiono stan światowych zasobów ropy, gazu, węgla, uranu i hydratów metanu. Przedyskutowano prognozę zapotrzebowania energii pierwotnej i przyszłe problemy paliwowo-energetycznego zaopatrzenia świata. Przeanalizowano możliwości globalnego wyczerpania źródeł energii pierwotnej w nieodległej przyszłości wskutek zjawiska „energy peak” (analogicznego do „oil peak”). Przedstawiono projekt strategicznego programu „Doskonalenie systemów wytwarzania i użytkowania energii elektrycznej”, wykorzystującego zasobniki energii.

O nieprawidłowościach funkcjonowania systemów elektroenergetycznych niewątpliwie świadczą powszechnie znane kolejne wielkie awarie systemowe, które potrafimy opanowywać dzięki postępowi technicznemu i technologicznemu. To tylko część dużo gorszego problemu. Nasza cywilizacja jest zagrożona globalnym kryzysem energetycznym, związanym nie tylko z systematycznym wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną, ale na wszystkie rodzaje energii, co powoduje przyspieszone wyczerpywanie się nieodnawialnych źródeł surowców energetycznych. Dostrzega to wielu ekspertów oraz instytucji naukowych i gospodarczych. Dane statystyczne są powszechnie dostępne. Jednak powaga sytuacji nie dociera do społeczności międzynarodowej, w szczególności do kręgów decydenckich, nie są więc podejmowane zintegrowane w skali globalnej działania antykryzysowe dające szansę podjęcia tego największego dla ludzkości wyzwania cywilizacyjnego i skutecznego wyeliminowania śmiertelnego zagrożenia. Ludzkość zbiorowo zachowuje się w tej sytuacji jak chory na raka, wierzący do końca, że jego to nie dotyczy i jakoś to będzie. Tymczasem wymowa faktów jest brutalna, a pierwsze symptomy nadchodzącego kryzysu już widoczne.

Nasze pokolenie zużyło więcej energii niż zużyto w całej wcześniejszej historii ludzkości. Na przełomie stuleci (2000 r.) Światowa Rada Energetyki podała m. in., że [2]:

• światowe zużycie energii w 1998 r. wynosiło 410 EJ (eksadżuli = trylionów J = 1018 J).
• z paliw kopalnych uzyskano 78 % energii, przy udziale:
• ropy naftowej – 142 EJ,
  – węgla – 113 EJ,
  – gazu ziemnego – 85 EJ,
  – źródeł odnawialnych – 44 EJ,
  – energii nuklearnej – 26 EJ.
• zużycie energii pierwotnej wzrośnie o 52% przez najbliższe 20 lat.

Szczegółową strukturę wykorzystywania różnych źródeł energii na przełomie wieków pokazano na rysunku1 (zdjęcie główne artykułu 0 kliknij aby powiększyć).

Przytłaczające jest nasze uzależnienie energetyczne od kopalin i nader skromny udział odnawialnych źródeł energii, pomimo gromkiej działalności publicystycznej na ten temat. Zmiany tej struktury w trzech końcowych dekadach minionego wieku pokazano w tabeli 1.



Tendencje zmian wyrażone w tabeli 1 za pomocą strzałek (↔ zmiany mało istotne; ↑↑ i ↓↓ zmiany istotne lub ↑↑↑ bardzo istotne) wskazują na znaczący spadek udziału ropy naftowej na rzecz wzrostu udziału gazu, przy mało istotnej zmianie udziału węgla. Bardzo duży przyrost procentowy zużycia energii jądrowej odbywa się na dość niskim poziomie jej udziału w energetyce światowej, a łączny udział odnawialnych źródeł energii nie wykazuje tendencji do znaczącego przyspieszenia ich rozwoju.

Przy takim tempie wzrostu rocznego zużycia kopalin pytanie o ich zasoby nasuwa się od dawna. Głównie jednak mówi się o kryzysie naftowym, znanym powszechnie pod nazwą „oil peak”, pochodzącą od krzywej ilustrującej produkcję roczną ropy w funkcji czasu, opracowanej w 1956 przez Hubberta. Przewidział on szczyt produkcji ropy w Stanach Zjednoczonych na 1970 rok zakładając, że produkcja ropy zmienia się według symetrycznej krzywej zwanej dzwonową. Maksimum tej krzywej odpowiada zużyciu 50% znanych zasobów. Prognoza się sprawdziła. Suma krzywych cząstkowych określonych dla poszczególnych producentów ropy tworzy krzywą globalną. Krzywą Hubberta oraz wariantowe prognozy szczegółowe pokazano na rysunku 2.

Jesteśmy obecnie w pobliżu szczytu krzywej Hubberta, a dyskusja przed czy po nie ma szczególnego znaczenia. Nowe prognozy wykorzystują dane USGS, dotyczące globalnych zasobów ropy, określone z prawdopodobieństwem 95%, tj. realne, oraz 5%, tj. raczej wirtualne (bez mała dwukrotnie większe), z czego wyliczana jest wartość średnia. Nie jest to poprawne. Niemniej jednak wirtualny przyrost zasobów ropy o 900 mld baryłek opóźnia oil peak zaledwie o 10 lat. Światowe wydobycie ropy będzie więc stopniowo coraz droższe finansowo i energetycznie, a trudnościom z tym związanym będzie towarzyszył lawinowy wzrost liczby ludności i wzrost uprzemysłowienia, tj. wzrost zależności naszej cywilizacji technicznej od źródeł energii pierwotnej. [4, 5, 6, 7]

Pod pojęciem wystarczalności ropy rozumie się zazwyczaj liczbę lat, oszacowaną jako iloraz r/p (reserves to production) zasobów do produkcji w roku poprze-dzającym prognozę. Jest to podejście błędne, bowiem analiza danych z minionych lat wskazuje na celowość przyjmowania uśrednionej stałej wartości rocznej stopy procentowej wzrostu zużycia ropy, co jest zazwyczaj przyjmowane w znanych prognozach perspektywicznych.

Oszacowanie wystarczalności zasobów ropy ukazuje tylko część problemu. Dla kompleksowej oceny zagrożenia globalnym kryzysem energetycznym niezbędne jest łączne oszacowanie wystarczalności wszystkich podstawowych źródeł kopalnych energii pierwotnej. Pokazano to w tabeli 2.



Dane przedstawione w tabeli 2 pozwoliły na oszacowanie wystarczalności poszczególnych kopalin na podstawie ilościowych wskaźników ich produkcji w 30–leciu 1971 – 2000, przy wykorzystaniu wskaźnika średniego wzrostu rocznego obliczonego dla minionego 30–lecia i założeniu jego niezmienności w prognozowanym okresie. Udokumentowane rezerwy należy traktować jako minimalne, ale za to realnie istniejące. Oszacowana na tej podstawie minimalna wystarczalność poszczególnych źródeł energii pierwotnej oznacza okres do ich całkowitego wyczerpania, ale nie uwzględnia nowych odkryć i wpływu postępu technologicznego na ew. eksploatację złóż obecnie trudno dostępnych. Niemniej jednak, nie biorąc pod uwagę bardzo małej roli węgla brunatnego można stwierdzić, że okresy wystarczalności są szokująco krótkie.

Pojawia się więc pytanie, czy i jakie są na ziemi alternatywne źródła energii, czy istnieje jakieś paliwo ratunkowe? Niektóre kręgi specjalistów przywiązują dużą wagę do przyszłej roli hydratów metanu.

Gazohydraty tworzą się w określonych zakresach temperatury i ciśnienia, składają się z cząsteczek gazu zamkniętych w sieci krystalicznej wody (inne hydraty pominięto). Ilość naturalnych hydratów występujących na ziemi jest znacznie większa od zasobów paliw kopalnych, przy czym ilościowo dominuje hydrat metanu. Jest to bardzo wydajne źródło metanu, ponieważ 1 m3 hydratu złożony z ok. 0,79 m3 wody i ok. 0,21 m3 gazu zawiera ok. 164,6 Nm3 metanu. Jest to dotychczas nieeksploatowane ogromne źródło energii pierwotnej i cenny surowiec chemiczny. Wiedza o zasobach oraz eksploatacji hydratów i o technologii produkcji i transportu metanu jest jeszcze w powijakach, jakkolwiek prowadzone są intensywne badania w tym zakresie [8].

W dalszych rozważaniach uwzględniono potencjalne możliwości energetyczne hydratów metanu, a ponieważ ilościowe ujęcie problemu wg tabeli 2 nie pozwala na bezpośrednie porównanie zasobów energetycznych poszczególnych źródeł, sprowadzono je do wspólnego przelicznika w postaci ekwiwalentu ropy.



Zestawienie światowych zasobów paliw kopalnych pokazano na rysunku 3, przedstawiającym własny podział i oszacowanie obcych danych, z różnych publikacji, stosownie do opisu pod rysunkiem. Największe są rozbieżności danych o zasobach uranu. Wg opinii autora kategorie x oraz y zasobów można uznać za istniejące z wysokim prawdopodobieństwem (analogicznie do danych USGS wg rys. 2b – 95%), przy czym kategoria x to zasoby możliwe do uzasadnionej ekonomicznie eksploatacji w obecnych warunkach technologicznych, natomiast kategoria z to zasoby raczej hipotetyczne (jw. – 5%).

Na podstawie danych wg rysunku 3 oszacowano (analogicznie do tabeli 2) wystarczalności poszczególnych kategorii zasobów x, x+y, x+y+z, przy wskaźnikach wzrostu wg tabeli 2. Wyniki zaprezentowano w tabeli 3.

Oszacowanie łącznej wystarczalności źródeł energii pierwotnej przeprowadzono metodą jw. najpierw bez uwzględnienia hydratów metanu, a następnie dla tych hydratów i sumy wszystkich zasobów, przyjmując w powyższych przypadkach taki sam wskaźnik wzrostu zużycia energii pierwotnej.

Z uzyskanych wyników można wyciągnąć kilka zasadniczych wniosków.

1.
Realnie istniejące i osiągalne zasoby kopalnych źródeł energii pierwotnej (x+y) przy dotychczasowym 2% średnim rocznym wzroście zużycia energii pierwotnej ulegną wyczerpaniu w przedziale ok. 70 – 120 lat.

2.
Włączenie do eksploatacji jeszcze nienaruszonych, ale zapewne nie całkiem osiągalnych zasobów hydratów przedłuży ten okres zaledwie o ok. 80 lat.

3.
Energetyka jądrowa o opanowanych technologiach nie jest w stanie rozwiązać tego problemu ze względu na ograniczone zasoby uranu (reaktory powielające i synteza termojądrowa wymagają odrębnego komentarza).

4.
Kolejne wyczerpywanie poszczególnych zasobów surowców energetycznych będzie wywoływało zwiększanie nacisku na przyspieszanie eksploatacji pozostałych, czyli peak of oil przyspieszy peak of gas i kolejno peak of coal, peak of uranium wywołując globalny peak of energy.

5.
Głównym czynnikiem przyspieszającym ten kryzysowy proces jest niekontrolowana eksplozja demograficzna ludzkiej populacji w przestrzeni o skończonych zasobach energetycznych, w połączeniu z systematycznym wzrostem energochłonności naszej cywilizacji technicznej i niedostatkiem działań antykryzysowych.

W tym kontekście interesujące na przełomie stuleci jest porównanie historycznych i futurologicznych tendencji zmian strukturalnych udziału źródeł energii pierwotnej w energetyce światowej. W tabeli 4 pokazano zestawienie danych z 30 – lecia 1971 – 2000 (tabela 1) i światowych prognoz na lata 2000 – 2030, nakładając dla roku 2000 na oryginalną prognozę PK ŚRE [10] - dane historyczne z roku 1971 (pochyłą czcionką) oraz dodatkową kolumnę zawierającą ocenę wystarczalności poszczególnych źródeł energii, przy wskaźnikach rocznego wzrostu jej zużycia obliczonych wg tejże prognozy, dla zasobów x, y, z jak na rysunku 3 i w tabeli 3.



Wynikają stąd dość zaskakujące wnioski.

1.
Prognoza PK ŚRE na następne 30–lecie (czcionka pogrubiona) wydaje się oderwana od wniosków wynikających z minionego 30–lecia (czcionka pochyła), bowiem:

• prognozuje się znaczące przyspieszenie zużycia ropy (160/149) i spowolnienie zużycia gazu (201/235), tj tendencję odwrotną względem dotychczasowej, wskazującej raczej na zastępowanie ropy przez gaz wskutek coraz silniej odczuwanego efektu oil peak;
• prognozuje się praktyczne zamrożenie rozwoju energetyki jądrowej, co jest sprzeczne z innymi programami jej rozwoju (wzrost liczby reaktorów i ich mocy o ok. 57% – tabela 5);
• prognozuje się znaczące spowolnienie produkcji energii ze źródeł odnawialnych (162/217 wodna oraz 145/176 pozostałe), a nadto zmniejszenie procentowego udziału tych źródeł w produkcji energii (10,2/11,9), co jest sprzeczne z publicznie deklarowanymi kierunkami polityki energetycznej i jej aspektów ekologicznych;

2.
Prognozowany jest malejący udział procentowy węgla w produkcji energii (22,1/26,4), choć jest to najbogatsze źródło energii pierwotnej, o najbardziej optymistycznych okresach wystarczalności.

3.
Oszacowana dla tej prognozy średnia roczna stopa wzrostu zużycia energii pierwotnej wynosi 1,6%, co wydłuża okresy wystarczalności podane w tabeli 3 odpowiednio o 8 / 17 / 25 lat.

Jak wynika z przedstawionej analizy zasobności energetycznej poszczególnych źródeł energii pierwotnej, żadna z wykorzystywanych dotychczas metod jej pozyskiwania nie pozwala na wyeliminowanie zagrożenia naszej cywilizacji globalnym kryzysem energetycznym. Obecny poziom rozwoju energetyki jądrowej również nie pozwala spokojnie patrzeć w przyszłość, chociaż zamierzenia wielu krajów wskazują na przyspieszenie rozwoju w tej dziedzinie. Jak wskazują dane w tabeli 5, wydaje się to nie dotyczyć Unii Europejskiej.

Przy pracujących 442 reaktorach o łącznej mocy elektrycznej 370921 MWe, prognozy rozwojowe obejmują 28 reaktorów w budowie, 62 w planach realizacyjnych (są projekty, lokalizacje i źródła finansowania) oraz 161 proponowanych (stadium początkowe; są decyzje, założenia i ew. projekty wstępne). Dominuje w tym wyścigu Azja, podejmują wyzwanie Rosja i USA, natomiast czołowe kraje UE zapewne poszukują innych rozwiązań. Znacznie bardziej wydajne od konwencjonalnych reaktory powielające umożliwiłyby zapewne wielokrotnie efektywniejsze wykorzystanie zasobów uranu, ale upowszechnienie tej technologii oznacza zarazem upowszechnienie dostępu do broni nuklearnej, co mogłoby przy obecnych stosunkach międzynarodowych skuteczniej zagrozić współczesnej cywilizacji, niż globalny kryzys energetyczny [14].

Synteza jądrowa to nadal odległa przyszłość. W materiałach Parlamentu Europejskiego [15] dotyczących projektu ITER i budowy ITER jako jednego z głównych etapów stworzenia prototypowych reaktorów, a następnie budowy „demonstracyjnej” elektrowni syntezy jądrowej zakłada się, że ta technologia „może w znacznym stopniu przyczynić się do urzeczywistnienia zrównoważonych i pewnych dostaw energii UE za około pięćdziesiąt lub sześćdziesiąt lat, po penetracji rynku przez komercyjne reaktory syntezy jądrowej”. To bardzo długi czas, ok. 80% okresu wystarczalności wszystkich znanych i dostępnych (tabl. 3, wariant x) źródeł energii pierwotnej. Nie można obecnie stwierdzić, że np. hydraty metanu pozwolą przetrwać przez ten okres bez poważnego wstrząsu cywilizacyjnego.

Energia syntezy jądrowej jest zresztą obecnie dostępna, z dużym nadmiarem, w postaci energii słonecznej, ale nadal nie umiemy jej właściwie wykorzystać.

• Bilans rocznej energii słonecznej ES wydzielanej na powierzchni ziemi przedstawia się następująco:
  – całkowita ES = ~2 810 000 EJ, w tym na lądach EL = ~820 000 EJ, w tym w Polsce ESP = 1170 EJ;
  – światowe zapotrzebowanie energii pierwotnej (2006) jest rzędu EZ = 480 EJ;
  – polskie zapotrzebowanie (2006) energii pierwotnej EZP = ~4,3 EJ.
• Nadwyżka energii słonecznej względem potrzeb:
  o całkowita ES / EZ = ~5854, w tym na lądach EL / EZ = ~1708, w tym w Polsce ESP / EZP = 272.
• Efektywnie wykorzystać przy powierzchni Ziemi można do 1000 W/m2, w zależności od szerokości geograficznej, pory roku, pory doby, klimatu, pogody etc.
• Średnia roczna gęstość mocy w Polsce wynosi ~105 – 125 W/m².
• Średnie nasłonecznienie (roczna gęstość strumienia energii) w Polsce wynosi 3,3 – 4,0 GJ/m² rok.

Proporcje energii słonecznej oraz wszystkich światowych zasobów energii pierwotnej pokazano na rysunku 5. Średnie przeliczniki wg WEC [10].



Jakkolwiek energia słoneczna jest praźródłem wszystkich odnawialnych źródeł energii, a także paliw kopalnych na bazie węgla organicznego, to jej wykorzystanie napotyka na podstawową sprzeczność. Bieżąco dociera ona do ziemi w sposób rozproszony. Była przetwarzana przez miliony lat poprzez procesy bioorganiczne do postaci wysokiej koncentracji w paliwach kopalnych. Wszystkie nasze technologie energetyczne polegają na wykorzystaniu tego koncentratu i rozproszeniu energii. Obecnie potrafimy koncentrować energię słoneczną w postaci biomasy, ale jest to proces o relatywnie małej efektywności, podobnie jak metody bezpośredniego przetwarzania promieniowania słonecznego na ciepło lub elektryczność, wykorzystywania energii wiatrów, pływów, fal morskich, ciepła oceanów, czy też energii geotermalnej.

Jednak rozwijanie tych technologii wytwarzania i przetwarzania energii, w połączeniu z rozwojem energooszczędnych technologii użytkowania wszystkich rodzajów energii, jest jedynym racjonalnym kierunkiem rozwojowym pozwalającym na zmniejszanie intensywności eksploatacji kopalnych surowców energetycznych, wydłużenie okresu ich wystarczalności i danie ludzkości więcej bezcennego czasu na rozwiązanie problemu pułapki energetycznej, w której się znalazła.

O racjonalności eksploatacji poszczególnych źródeł i wykorzystywania różnych technologii energetycznych decyduje energetyczna stopa zwrotu EROEI (Energy Returned On Energy Invested – energia zwrócona do zainwestowanej).

Granicą energetycznej opłacalności jest EROEI = Er / Ei > 1, gdzie Er – energia zawarta w surowcu energetycznym, Ei – energia potrzebna do jego pozyskania.

Przykładowe wartości EROEI [4]:

• ropa: pierwotnie ~100 , obecnie: 3 (USA); 10 (Arabia Saud.); średnio: ~5;
• węgiel: lata 40.: 80 – 100; lata 70.: 30;
• piaski i łupki roponośne: 1,5;
• energia jądrowa: 4;
• fuzja jądrowa: 0,65;
• biopaliwa: 1,5 – 2;
• wiatraki: 0,03 – 2;
• ogniwa słoneczne: 0,8 – 1,7 (przy obecnej technologii bliżej 0,8);
• wodór: 0,8 (nie jest źródłem energii, a jedynie nośnikiem energii).

Wszystkie działania przy stopie zwrotu poniżej jedności są pozbawione sensu, bo jest to strata energii. Do działań stymulujących dalszy rozwój cywilizacyjny niezbędne jest tworzenie nowych rozwiązań o możliwie dużych wartościach energetycznej stopy zwrotu. Jej zmniejszanie się wraz z upływem czasu dla ropy, gazu i węgla to efekt wyczerpywania się złóż łatwo dostępnych i wzrostu kosztów wydobycia. Dlatego rozwój naszej cywilizacji traci powoli swój energetyczno-ekonomiczny napęd.



Szczególną rolę w tym zakresie będzie odgrywało wyczerpywanie się zasobów ropy naftowej. Ropa bowiem jest tak ważnym surowcem dla gospodarki światowej, że jej niedostatek musi wywołać także światowy kryzys gospodarczy.
Bardzo ważny jest także gaz.

• Ropa naftowa i gaz determinują bezpośrednio:
  – produkcję energii elektrycznej,
  – produkcję paliw ciekłych (benzyny, oleje napędowe) i smarów,
  – produkcję olejów (opałowe, smarowe, transformatorowe i in.),
  – produkcję asfaltów i produktów asfaltowych,
  – produkcję rozpuszczalników (benzyny ekstrakcyjne, benzyny lakowe, aceton i in.)
  – produkcję produkty parafinowe (parafina stała, petrolatum, cerezyna)
  – produkcję gazu płynnego (propan – butan),
  – produkcję tworzyw sztucznych,
  – produkcję wielu innych produktów petrochemicznych (polietylen, propylen, styren, etanol, alkohol izopropylowy, chlorowcopochodne etanu, glikole, glicerynę, fenol, n – butanol, butadien, izooktan..... etc.).
  – produkcję nawozów sztucznych,
  – produkcję farmaceutyków.
• Pośrednio, poprzez budownictwo drogowe (asfalty), nawozy, transport kołowy i maszyny rolnicze (paliwa), determinują produkcję żywności i wydajność rolnictwa.

Publicyści podają, że ponad milion wyrobów na świecie pochodzi od ropy.

Peak of oil & gas może więc oznaczać zarazem narastający kryzys wytwórczy w przemyśle i rolnictwie, rozprzestrzenianie się obszarów głodu, zjawiska deglobalizacyjne, wojny surowcowe etc.

Objawy kryzysu naftowego są coraz bardziej widoczne. Pokazano to na rysunku 6.

• Od 1962 roku zmniejsza się wielkość odkrywanych pól naftowych. Wykres produkcji przebiega coraz wyżej ponad wykresem odkryć, tj. zasoby coraz szybciej maleją.
• 54 spośród 65 państw – producentów ropy przekroczyło „peak of oil” lub jest właśnie w fazie szczytu wydobycia.
• Niezależnie od krótkoterminowych wahań cena ropy wzrasta (ponad 6,5 – krotnie w ciągu 7 lat).
• Na każdych sześć zużytych baryłek przypada jedna odkryta.
• Proporcja ta pogarsza się każdego roku.

Należy dodać, że kryzys naftowy będzie groźny w szczególności dla rynku paliw napędowych, co musi spowodować narastające trudności dla wszelkich rodzajów transportu, w tym maszyn i pojazdów rolniczych, budowlanych, lokomotyw i in. Problemu tego nie rozwiąże np. rozwój energetyki jądrowej, pozwalający na opanowanie sytuacji w zakresie wytwarzania energii elektrycznej.

Ta postać energii ma zasadnicze znaczenie dla globalnych
i lokalnych procesów rozwojowych.

W tabeli 6 przedstawiono prognozę wzrostu wykorzystania energii elektrycznej E na świecie oraz porównanie prognozowanego tempa wzrostu tego zapotrzebowania w skali świata, Unii Europejskiej oraz Polski (przy założeniu osiągnięcia przez polską gospodarkę obecnego średniego poziomu krajów UE po 2010 r.) [10, 11, 12].

Prognoza średniego zapotrzebowania rocznego na energię elektryczną E1 w Polsce w dekadzie 2010-20, moc elektrowni oraz ilość surowców energetycznych potrzebnych do wytworzenia tej energii, zostały przedstawione w tabeli 7 (przy założeniach jak niżej).

Udział poszczególnych źródeł energii pierwotnej w światowej produkcji energii elektrycznej pokazano na rysunku 7.



Podstawowym odnawialnym źródłem energii elektrycznej pozostaje energia wodna. Wskazuje to na wielkie i niewykorzystane możliwości w tym zakresie. Obserwowany w ostatnich latach wzrost nacisku na rozwój źródeł odnawialnych daje wyraźne przyspieszenie ich rozwoju, ale w ogólnym bilansie energii elektrycznej na świecie to ciągle jest zbyt mało.

Pod względem struktury wykorzystania surowców energetycznych Polska jest krajem nietypowym, bowiem aż 97% energii wytwarza się z paliw stałych, w tym 63% z węgla kamiennego. Prognozy w tym zakresie są zmienne w zależności od sposobu szacowania zasobów bilansowych surowców.

Obecnie można przyjąć niżej podane wielkości.
Węgiel kamienny:

• zasoby przemysłowe – 3117 mln t;
• wystarczalność zasobów:
• udostępnionych w czynnych kopalniach – 28 lat,
• możliwych do udostępnienia w czynnych kopalniach – 38 lat;
• bilansowych złóż niezagospodarowanych – do 72 lat.

Węgiel brunatny:

• zasoby bilansowe: 14 mld t w złożach czynnych, 8 mld t w złożach perspektywicznych;
• wystarczalność przy obecnym wydobyciu 60 mln t / r – 400 lat.

Trzeba się liczyć ze zmniejszaniem wystarczalności węgla brunatnego wskutek wzrostu jego eksploatacji powodowanej wyczerpywaniem się zasobów węgla kamiennego.

W Polsce, pomimo tego, co się mówi na temat eksploatacji źródeł odnawialnych, jest ona, poza wspomnianą energią wodną, szokująco mała (poniżej 5%). Jest to energia obecnie relatywnie droga, jednak są to ogromne, ale niewykorzystane możliwości rozwojowe.

Z raportu [16] firmy Capgemini o Obserwacjach Deregulacji na Europejskich Rynkach Energetycznych (EEMDO – European Energy Markets Deregulation Observatory) wynika, że jednym z najważniejszych problemów strategicznych Unii Europejskiej jest obecnie wzrost bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej i gazu.

Podejmowane i proponowane działania UE w tym zakresie obejmują:

• rozwój wspólnotowego rynku energii elektrycznej (przejściowo - rynki regionalne)
• postęp w deregulacji działalności rynkowej przedsiębiorstw energetycznych:
  – pełne otwarcie rynku niemieszkalnego,
  – rozdzielenie różnych zakresów działalności przedsiębiorstw dystrybucyjnych;
• wzrost konkurencji w detalicznym obrocie energią;
• wdrożenie programu handlu* emisjami CO₂ (skuteczniejszego niż zielonymi certyfikatami);
• rozwój rynków hurtowych, w tym giełd energii (11) i poprawa stanu ich płynności;
• zachęty do zwiększenia zdolności wytwórczych dla wzrostu marginesu bezpieczeństwa;
• inicjatywy dla rozbudowy infrastruktury w sektorze wytwarzania energii:
  – budowa reaktorów jądrowych w Finlandii i Francji,
  – nowe inwestycyje w infrastrukturę gazową w Wielkiej Brytanii,
  – nowe inwestycyje w import gazu i urządzenia magazynowe;
• zwiększanie zdolności przesyłowej połączeń międzysystemowych;
• przestawianie się na „czyste” źródła energii, stosownie do
  protokółu z Kioto;*)
  *) Protokół z Kioto dotyczy zmniejszenia o 8 % emisji gazów cieplarnianych
  w latach 2008 – 2012, w porównaniu z emisją w 1999 roku; konsekwencjami
  będą m. in. limity emisji dla ok. 12000 elektrowni w UE; rozwinie
  się handel limitami dla obniżki kosztów.

Jak wynika z powyższego raportu, zdecydowana większość powyższych działań systemowych, polityczno – ekono-micznych i technicznych dotyczy tylko jednej strony bilansu energetycznego, tj. problematyki wytwarzania energii elektrycznej, natomiast po stronie użytkowania energii elektrycznej w praktyce dzieje się niewiele. Determinanty takiego stanu rzeczy podane zostały w tabeli 8.



Należy zwrócić przy tym uwagę, że jasność interesów nie oznacza w tym przypadku tożsamości interesów producentów i użytkowników energii elektrycznej.

Oczywistą konsekwencją takiej sytuacji jest w polskich warunkach pilne podjęcie działań antykryzysowych w zakresie użytkowania energii elektrycznej, z równą aktywnością i determinacją jak w zakresie jej wytwarzania.

Ze względu na czynniki podane w tabeli 8, nie będzie to możliwe bez zdecydowanych decyzji politycznych i rozwiązań systemowych w skali kraju.

Dla zrównoważenia działań antykryzysowych konieczne jest spełnienie niżej podanych warunków.

• Interwencja polityczna i finansowa państwa w zakresie nowych technologii użytkowania energii elektrycznej – Rząd (MN, MG ……).
• Wykorzystanie środków pomocowych UE dla finansowania programów z zakresu nowych technologii użytkowania energii elektrycznej i upowszechniania wdrażania wyników u odbiorców – Rząd (MN, MG ......), zainteresowane instytucje pozarządowe, podmioty naukowe i gospodarcze.
• Ukierunkowanie badań w dziedzinie elektryki na tworzenie i wdrażanie nowych technologii użytkowania energii elektrycznej dla przyspieszenia rozwoju gospodarki i społeczeństwa
  – jednostki naukowe działające w dziedzinie elektryki.
• Zorganizowanie forum integracyjnego, po stronie konsumenckiej, w zakresie użytkowania energii elektrycznej
  – instytucje pozarządowe.
• Przygotowanie i zaangażowanie całego środowiska elektryków do zorganizowanych i długoterminowych działań antykryzysowych oraz do działań edukacyjnych w społeczeństwie.

Jest to niezwykłe wyzwanie dla całego środowiska elektryków polskich, zadanie wyjątkowo trudne i odpowiedzialne.

Warto zatem podjąć próbę analizy aktualnej sytuacji w tym środowisku, z punktu widzenia merytorycznych i organizacyjnych możliwości realizacji programu tak ważnego dla przyszłości.

W całym okresie od transformacji ustrojowej nauka polska, a wraz z nią i elektryka, przeżywała okres pogarszającego się finansowania budżetowego. Realne nakłady na naukę, liczone w cenach z 1991 r., w kolejnych latach nigdy nie osiągnęły poziomu wyjściowego z tegoż 1991 r., osiągając najniższy poziom w 2002 r. (tzw. dziura budżetowa Bauca), i w 2006 r. wyniosły 77% nakładów wyjściowych.

Towarzyszyły temu znane procesy transformacyjne w gospodarce, w tym w przemyśle elektrotechnicznym, wykraczające poza problematykę niniejszego opracowania. Efektem ich było jednak poważne ograniczenie finansowania badań naukowych i prac rozwojowych z zakresu elektryki przez podmioty gospodarcze.



Miarą rzeczywistej pozycji i aktywności jednostek naukowych elektryki jest finansowanie, zwłaszcza wszelkiego rodzaju projektów badawczych, uzyskiwane drogą konkursową. Ogólny obraz sytuacji w jednostkach naukowych elektryki wynika ze wskaźników przedstawionych w tabeli 9.

Jest to obraz wysoce niepokojący. W stosunku do poziomu krajowego, przy procentowym udziale potencjału badawczego jednostek naukowych elektryki ocenianym na ok. 7%, ich udział procentowy w nakładach na B + R wynosi 2,7%, w realizacji projektów 2,1%, w nakładach na te projekty 2,4%. Średnie nakłady roczne na jednostkę naukową elektryki wynoszą zaledwie 37,6% średniej krajowej.

Ostatni wskaźnik jednoznacznie świadczy, że elektryka przez szereg lat w systemie KBN – owskim została wypchnięta na obrzeża kanałów finansowania.

Ten proces, w sytuacji narastającego zagrożenia kryzysem energetycznym, musi być zatrzymany i odwrócony.

Przedstawione liczby, fakty i komentarze stanowią jednoznaczne przesłanki stwierdzenia, że mamy typowe objawy tzw. atomizacji badań w elektryce i słabego związku nauki z praktyką, a w szczególności:

• działania jednostek naukowych rozproszone, słabo ukierunkowane na wdrożenia,
• śladowy udział jednostek PAN w badaniach z dziedziny elektryki,
• mały udział (15%) uczelni technicznych w badaniach dla gospodarki (potencjał 66%),
• brak dużych, zintegrowanych, interdyscyplinarnych projektów i programów,
• liczba projektów badawczych znacznie większa od liczby projektów celowych (15/1),
• mała innowacyjnochłonność sektora elektryki,
• słabe wykorzystanie wspierania prac B + R przez MNiSW (2,7% nakładów na B + R).

Propozycje działań na przyszłość wynikają z wyżej przedstawionych ocen i analiz. Konieczne jest podjęcie metodycznych działań antykryzysowych w zakresie użytkowania energii elektrycznej i rozwoju odnawialnych źródeł energii, do czego jest niezbędna integracja środowiska elektryków polskich wokół tego celu.

Przeprowadzono szerokie prace studialne mające na celu podjęcie i realizację ustanowionego przez Rząd na lata 2006 – 2013 programu wieloletniego (PW) pod roboczym tytułem: „Doskonalenie systemów wytwarzania i użytkowania energii elektrycznej w celu poprawy ich właściwości ekonomicznych, technicznych i środowiskowych”. Koordynatorem prac jest Instytut Elektrotechniki.

Podstawowe cele programu:
1. Poprawa efektywności wytwarzania, przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej oraz poprawa bezpieczeństwa jej użytkowania.
2. Zapewnienie warunków bezpieczeństwa i ochrony krajowego systemu energetycznego.
3. Stworzenie warunków do integrowania rozproszonych źródeł energii z systemem elektroenergetycznym kraju.
4. Opracowanie nowych technologii dotyczących budowy rozproszonych źródeł energii i magazynowania energii na bazie:
a) superkondensatorów,
b) technologii wodorowej,
c) technologii nadprzewodnikowej,
d) odnawialnych źródeł energii.
5. Racjonalizacja zużycia i obniżka kosztów energii elektrycznej.

Głównym elementem programu jest jakościowo nowe podejście do problematyki użytkowania energii elektrycznej. W wyniku realizacji programu ma nastąpić opracowanie, wdrożenie oraz upowszechnienie zasobnikowych systemów zasilania, przeznaczonych dla odbiorców komunalnych, przemysłowych oraz transportu szynowego i kołowego, a nadto stymulacja rozwoju odnawialnych źródeł energii.

W programie wyodrębnione zostały strategiczne grupy tematyczne SGT, realizowane poprzez system projektów zamawianych PZ składających się z zadań badawczych ZB (struktura typowa dla programów wieloletnich). Projekty będą kierowane do realizacji za pomocą konkursów otwartych dla zainteresowanych jednostek naukowych i producentów.

Strukturę PW pokazano na rysunku 8. W tabeli 10 zestawiono propozycje poszczególnych SGT [17;**].





Korzyści ekonomiczne z wprowadzenia na dużą skalę zasobnikowych systemów zasilania można oceniać dwojako. Pierwszą metodą jest ocena kosztów wytwarzania energii, pokazana w tabeli 11.

ZAŁOŻENIA (ceny i koszty oszacowano wg dostępnych danych PSE):
1)
oszacowanie przeprowadzono dla ostatniego roku czterech kolejnych etapów 5 – letnich;
2)
wzrost zużycia energii powoduje proporcjonalny wzrost nakładów na inwestycje sieciowe;
3)
pominięto koszty instalacji oraz zarządzania zgromadzonymi zasobami energii;
4)
zastosowanie zasobników obniża koszt rozwoju sieci proporcjonalnie do energii gromadzonej;
5)
zastosowanie zasobników pozwala skrócić czas braku energii z 2 godzin do 1 godziny rocznie;
6)
przyjęto wzrost zużycia energii elektrycznej o 3% rocznie;
7)
ceny energii (noc – szczyt): 80 – 200 zł / MWh, z zasobnikiem średnio 120 zł / MWh;
8)
wartość całej sieci przesyłowej i rozdz. ~ 30 mld zł;
9)
koszt niedostarczonej energii elektrycznej wynosi około 10 000 zł / MWh.

Koszty wytwarzania energii zmieniają się w Polsce w ciągu doby w granicach od 80 zł/MWh (nocą, pracują najbardziej ekonomiczne elektrownie) do 200-240 zł/MWh (w szczytach zapotrzebowania, pracują także drogie jednostki wytwórcze). Różnica w koszcie produkcji jest więc jak 1 : 2,5 – 3. Upowszechnienie zasobników energii elektrycznej gromadzących tanią energię elektryczną wykorzystywaną następnie w czasie dziennego czy wieczornego szczytu zapotrzebowania, a także opracowanie nowych zasad zarządzania tą energią, pozwoli na uzyskanie znacznych oszczędności w gospodarce i znaczne obniżenie kosztów dostawy energii elektrycznej dla odbiorców końcowych. Nadto zasobniki energii elektrycznej instalowane bezpośrednio u odbiorcy końcowego pozwalają na uniknięcie kosztu rozwoju sieci w związku z wzrastającym zapotrzebowaniem. Zniwelowanie szczytów zapotrzebowania oznacza także ograniczenie niezbędnej mocy zainstalowanej. Szczegółowe obliczenia wykraczają poza ramy niniejszego opracowania. Wynik przeprowadzonych symulacji jest wysoce zachęcający. Łączne oszczędności roczne oszacowano w granicach od 554 mln zł/r. (po I etapie, pięcioletnim, wdrażania nowego systemu) do 8882 mln zł/r. po pełnym jego wdrożeniu za 20 lat.

Drugą metodą jest ocena korzyści ekonomicznych z zasobnikowego systemu użytkowania energii elektrycznej – z punktu widzenia indywidualnego odbiorcy, na przykładzie indywidualnego odbiorcy komunalnego o typowym poborze energii. Nie jest to metoda precyzyjna, bowiem taryfikatory są zmienne, ale pokazuje jednoznacznie opłacalność przedsięwzięcia. Zestawienie danych i wyniki oceny podano na rysunku 9.

Do innych korzyści technicznych i ekonomicznych z upowszechnienia zasobnikowych systemów użytkowania energii elektrycznej można zaliczyć:

• niwelowanie szczytów obciążenia,
• redukcję rezerw mocy zainstalowanej,
• poprawę niezawodności zasilania,
• zwiększenie odporności na awarie,
• stworzenie alternatywy dla rozbudowy generatorów szybkiego startu z turbinami gazowymi lub silnikami dieslowskimi,
• przydatność do współpracy z rozproszonymi, w tym odnawialnymi źródłami energii,
• nowe możliwości rozwojowe napędów dla transportu szynowego i drogowego.

Przedstawione propozycje zawierają w sobie tak nowatorskie podejście, tak nowe techniki i technologie, że nasuwa się nieodparcie pytanie: fantazja to czy rzeczywistość?

Dotychczasowy stan wiedzy i technologii umożliwia już obecnie podjęcie i realizację tak zaprojektowanego programu wieloletniego. Jednoznaczne wskazania w tym względzie dają badania naukowe i prace rozwojowe prowadzone w krajach Unii Europejskiej.

W ciągu minionych 5 lat zrealizowano w UE:

• ponad 20 projektów z zakresu magazynowania energii za przeszło 30 milionów €,
  – w tym na akumulatory i technologie pokrewne 20 milionów €,
  ° z tego 6 mln € na rozwój materiałów czynnych dla akumulatorów litowo–jonowych i litowo–polimerowych przeznaczonych dla stacjonarnych, mobilnych i małych przenośnych zastosowań,
  – w tym na superkondensatory 4,6 miliona €,
• W 4PR UE zrealizowano program JOULE III, w którym m. in. zbudowano kombinowany (superkondensatory + akumulatory) stacjonarny zasobnik sieciowy o pojemności energetycznej 100 MWh.

Polska elektryka powinna więc jak najszybciej pójść tą drogą.

Oczekiwane skutki uruchomienia mi realizacji programu wieloletniego.

• Nowe idee i technologie użytkowania energii elektrycznej.
• Rozwój nowych dziedzin elektryki.
• Rozwój interdyscyplinarnych badań na rzecz gospodarki.
• Rozwój nowych gałęzi przemysłu elektrotechnicznego.
• Silny impuls dla rozwoju zaawansowanych technologii.
• Skoordynowany rozwój odnawialnych źródeł energii.
• Upowszechnienie zasobnikowych systemów zasilania.
• Racjonalizacja zużycia energii elektrycznej.
• Obniżka kosztów energii.
• Poprawa bezpieczeństwa energetycznego kraju.
• Opóźnienie nadejścia kryzysu energetycznego.

Proponowany program wieloletni może stać się polskim wkładem do globalnego rozwoju nauki, technologii i ekonomiki w zakresie elektryki, która nie może pozostać bezczynna wobec największego zagrożenia cywilizacyjnego, jakie ludzie sami sobie stworzyli. Wystarczy sobie wyobrazić, jaki spadek pozostawimy następnym pokoleniom, jeśli nie potrafimy w ciągu najbliższego półwiecza rozwiązać problemów energetycznych w skali globalnej.

[1] International Energy Agency. Publications and papers. http://www.iea.org/Textbase/publications/index.asp

[2] World Energy Council. Latest WEC Studies and Reports. http://www.worldenergy.org/publications/

[3] BP Statistical Review of World Energy. 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006. www.bp.com

[4] Peak oil. Szczyt produkcji ropy naftowej. http://www.peakoil.pl/

[5] Raport ORNL/TM-2003/259. Oak Ridge National Laboratory, 2003

[6] Wood J. H., Long G. R., Morehouse D. F.: Long-Term World Oil Supply Scenarios http://www.hubbertpeak.com/us/eia/oilsupply2004.htm

[7] Hirsch R. L., Bezdek R., Wendling R.: Peaking of world oil production: impact, mitigation, & risk management. 2005. http://www.projectcensored.org/newsflash/The_Hirsch_Report_Proj_Cens.pdf

[8] U.S. Geological Survey. Marine and Coastal Geology Program. Gas (Methane) Hydrates – A New Frontier. http://marine.usgs.gov/fact-sheets/gas-hydrates/title.html

[9] Rogner H.H.: An Assesment of World Hydrocarbon Resources, Annual Review of Energy and Environment, 1997

[10] Polski Komitet Światowej Rady Energetycznej. Raport: Sektor energii – świat i Polska. Rozwój 1971 – 2000, perspektywy do 2030 r. http://www.iea.org/Textbase/publications/free_new_Desc.asp?PUBS_ID=911

[11] International Energy Annual (IEA) - long-term historical international energy statistics. http://www.eia.doe.gov/iea/

[12] Olsza M.: Ubywa zasobów i mocy – rośnie zapotrzebowanie. Węgiel górą! Energia – Gigawat, nr 11/2003. http://www. gigawat.net.pl/article/articleview/276/1/33

[13] [atomowe]: Reaktory jądrowe na świecie (2006-07) oraz zapotrzebowanie na uran. [url=http://www.atomowe.kei.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=54&Itemid=69]http://www.atomowe.kei.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=54&Itemid=69[/url]

[14] Modro S. M.: Systemy elektrowni jądrowych Generacji IV, ekonomicznie konkurencyjnych, bezpiecznych oraz niepodatnych na wykorzystanie dla ceów produkcji broni jądrowej. Opracowanie Idaho National Engineering and Environmental Laboratory. http://manhaz.cyf.gov.pl/manhaz/strona_konferencja_2003/EPS2003_07pl.pdf

[15] Buzek J.: (sprawozdawca): Sprawozdanie nr (COM(2005)0119 – C6-0112/2005 – 2005/0044(CNS). Komisja Przemysłu, Badań Naukowych i Energii Parlamentu Europejskiego. 04.01.2006

[16] Raport Capgemini: EEMDO – European Energy Markets Deregulation Observatory. Sixth edition. November 2004 http://www.ch.capgemini.com/m/ch/tl/European_Energy_Markets_Deregulation_Observatory_2004.pdf

[17] Instytut Elektrotechniki. Praca zbiorowa. Projekt Programu Wieloletniego „Doskonalenie systemów wytwarzania i użytkowania energii elektrycznej w celu poprawy ich właściwości ekonomicznych, technicznych i środowiskowych” (dokument niepublikowany).