Od początku rewolucji przemysłowej widzieliśmy imponujący i nieustający wzrost zużycia energii przez ludzką cywilizację. Na przykład wykres zużycia energii w USA od siedemnastego wieku, wliczając drewno, biomasę, paliwa kopalne, energię wodną, jądrową, itp., pokazuje bardzo stabilną trajektorię o średnim rocznym wzroście 2,9% (rysunek 1).

Zrozumienie przyszłej trajektorii wzrostu zużycia energii jest bardzo ważne, ponieważ rządy i organizacje na całym świecie robią założenia oparte na oczekiwaniu, że historyczny trend wzrostu będzie można kontynuować przez stulecia. Rysunek 1 sugeruje, że jest to zupełnie rozsądne założenie.

Rysunek 1. Całkowita konsumpcja energii w USA od roku 1650. Oś pionowa jest logarytmiczna, zatem na tym wykresie wykładniczy wzrost przyjmuje kształt prostej linii. Czerwona linia oznacza wzrost w tempie 2,9% rocznie. Źródło: EIA

Wzrost stał się tak ważnym filarem naszej cywilizacji, że traktujemy go tak, jakby był on niemalże gwarantowany. Wzrost przynosi korzyści, takie jak np. samochody, telewizja, podróże samolotem i gadżety. Życie staje się łatwiejsze, ochrona zdrowia jest coraz lepsza i poza drobnymi problemami, jak np. mnożąca się ilość haseł do zapamiętania, żyje się nam coraz wygodniej. Wzrost przynosi też gwarancję na przyszłość, daje nam też powód do zainwestowania w przyszły rozwój w oczekiwaniu na dywidendy z tych inwestycji. Wzrost jest podstawą stopy procentowej, pożyczek i całej branży finansowej.

Ponieważ wzrost towarzyszył nam od wielu pokoleń, trudno jest nam sobie wyobrazić świat bez wzrostu. Istnieje niestety drobny problem: skończone zasoby i prawa fizyki.

Pokażemy poniżej fizyczną niemożliwość kontynuowania obecnej stopy wzrostu nawet w niezbyt dalekiej przyszłości. Dla uproszczenia, obniżymy wzrost zużycia energii z 2,9% do 2,3% rocznie, co jest równe pomnożeniu ilości zużywanej energii 10-krotnie w ciągu każdego stulecia. Zacznijmy od dzisiaj, kiedy globalna ilość zużywanej mocy wynosi 12 terawatów (lub około 2kW na osobę). Zaczniemy od w miarę rozsądnych założeń, ale potem okaże się, że nawet gdy popuścimy wodze naszej wyobraźni, to osiągniemy pułap naszych możliwości wcześniej, niż mogło by się nam wydawać.

Galaktyczny wyścig

Do Ziemi dociera w godzinę ilość energii słonecznej wystarczająca na zaspokojenie naszej rocznej konsumpcji. Ileż nadziei przynosi nam powyższe zdanie! Ale nie dajmy się na razie ponieść fantazji.

Tylko 70% światła słonecznego dociera do powierzchni ziemi, reszta odbija się w przestrzeń. Poza tym, będąc istotami żyjącymi na lądzie, rozsądne jest założenie, że nasze panele słoneczne będziemy instalować na lądzie, który stanowi 28% całości globu. Wreszcie, panele słoneczne działają z wydajnością 15%. Załóżmy w naszych rachunkach, że będzie to 20%. Końcowy efekt tych obliczeń to około 7000 TW energii słonecznej, czyli 600 razy więcej niż obecnie zużywamy. Mnóstwo zapasu, prawda?

Kiedy osiągniemy ten limit przy 2,3% wzroście? Odpowiedź brzmi: za 275 lat. Wprawdzie 275 lat to dosyć długo w porównaniu do długości naszego życia, ale w historii cywilizacji to wcale nie jest tak długo. I pomyśl jeszcze o tym świecie, który w naszym myślowym eksperymencie stworzyliśmy: każdy metr kwadratowy lądu jest pokryty panelami słonecznymi. A gdzie będziemy produkować żywność?

Poluzujmy teraz nasze założenia. Z pewnością za 275 lat będziemy na tyle mądrzy, żeby przewyższyć 20% wydajności dla tak ważnego ziemskiego zasobu jak energia. Zignorujmy więc limity termodynamicze i załóżmy 100% wydajności (tak, wchodzimy już tutaj na drogę czystej fantazji). To daje nam następne 70 lat. Ale komu potrzebne są oceany? Pokryjmy je więc też panelami o 100% wydajności. To wystarczy jednak tylko na następne 55 lat. Innymi słowy, w ciągu 400 lat osiągnęliśmy absolutny limit energii słonecznej na powierzchni Ziemi. To jest bardzo istotne, bo biomasa, wiatr i energia wodna pochodzą z promieniowania Słońca, zaś paliwa kopalne są niczym innym, jak baterią naładowaną przez Słońce w ciągu milionów lat. Tylko energia nuklearna, geotermiczna i pływowa nie pochodzi ze światła słonecznego (przy czym te dwie ostatnie reprezentują tylko kilka TW każda, więc są one do zaniedbania w naszych rachunkach).

Głównym ograniczeniem w powyższej analizie jest powierzchnia Ziemi. Ale dlaczego mamy się ograniczać tylko do powierzchni Ziemi? Bądźmy bardziej ambitni i zbudujmy olbrzymią sferę paneli okrążającą Słońce. Nie rozdrabniajmy się na razie takim szczegółami, jak np. że sfera paneli o promieniu orbity Ziemi i grubości tylko 4 mm wymagałaby materiałów o masie całej naszej planety. Zakładając znów 100% wydajność, będziemy dzięki temu mogli kontynuować nasz 2,3% roczny wzrost zużycia energii przez następne 1350 lat.

Należy tutaj pamiętać, że Słońce nie jest jedyną gwiazdą w naszej galaktyce. Droga Mleczna ma około 100 miliardów gwiazd. Olbrzymia ilość energii bezustannie wypływająca w przestrzeń i czekająca na zagospodarowanie. Przypomnijmy tutaj, że 10-cio krotny wzrost dostępnej mocy starcza nam na następne 100 lat. Sto miliardów to dziesięć podniesione do jedenastej potęgi. Wystarczy to zatem na następne 1100 lat.

Podsumowując, przy 2,3 procentowym wzroście, za około 2500 lat zużywalibyśmy moc całej galaktyki.

Rysunek2 . Globalne zużycie mocy przy założeniu 2,3% wzrostu pokazane na wykresie logarytmicznym. Po 275 latach nasze zapotrzebowanie wymagałoby pokrycia panelami wszystkich lądów planety. Nawet zakładając 100% wydajności i pokrycie wszystkich oceanów wzrost zużycia mógłby trwać tylko 400 lat. Po 1350 latach zużywana przez nas moc byłaby równa mocy generowanej przez Słońce. Po 2450 latach będziemy potrzebować mocy ze stu miliardów gwiazd z naszej Galaktyki. Napisy pionowe ilustrują jak odległe są okresy czasu w odniesieniu do historii cywilizacji.

Dlaczego tylko energia słoneczna?

Niektórzy czytelnicy mogą zapytać, dlaczego ograniczamy się tutaj tylko do energii słonecznej i gwiezdnej. Skoro jesteśmy w sferze marzeń, zostawmy energię słoneczną i załóżmy, że opanowaliśmy produkcję energii termojądrowej. Zwykła woda zawiera przecież dużą ilość deuteru, który stanowi praktycznie niewyczerpane źródło energii tutaj na Ziemi.

Nie będziemy tutaj analizować szczegółowo tej drogi wzrostu bo po prostu nie musimy. Bezlitosny wzrost ilustrowany powyżej oznacza, że jakiekolwiek źródło przyszłej energii weźmiemy pod uwagę, to będzie musiało ono około 1400 lat od dzisiaj dosłownie zaćmić Słońce!

Ostrzegam tutaj, że takie olbrzymie elektrownie spowodują, że zrobi się nam na Ziemi dość ciepło. Termodynamika wymaga, że jeśli będziemy produkować energię porównywalną z tą produkowaną przez Słońce, to temperatura powierzchni Ziemi musi być wyższa od temperatury powierzchni Słońca!

Granice termodynamiczne

Rozważmy więc nasz problem z punktu widzenia termodynamiki. Ziemia absorbuje energię słoneczną – znacznie więcej, niż obecnie wymaga nasza gospodarka. Ziemia pozbywa się tej energii dzięki promieniowaniu, głównie na falach podczerwonych. Nie ma innej metody na pozbycie się tego ciepła. Absorpcja i emisja są w niemal doskonałej równowadze. Gdyby tak nie było, Ziemia musiałaby się ogrzewać lub oziębiać.

I rzeczywiście, przez naszą działalność zmniejszyliśmy zdolność ucieczki promieniowania w przestrzeń kosmiczną, co prowadzi do globalnego ocieplenia. Innymi słowy zakłóciliśmy równowagę pomiędzy promieniowaniem przysyłanym przez Słońce, a promieniowaniem oddawanym w przestrzeń. Ten brak równowagi jest obecnie na poziomie mniejszym niż 1% całości wymienianej energii.

Moc promieniowania jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury mierzonej w skali Kelvina. Możemy zatem obliczyć temperaturę termodynamicznej równowagi powierzchni Ziemi biorąc pod uwagę dodatkową ilość energii produkowaną przez naszą światową gospodarkę.

Rysunek 3. Wzrost temperatury powierzchni Ziemi przy założeniu stałego 2,3% stopnia wzrostu zużycia energii. Zakładamy tutaj źródło inne od energii słonecznej oraz, że zużycie tej energii następuje na powierzchni planety. Jeśli wzrost będzie kontynuowany to za niecałe 400 lat warunki na Ziemi będą nie do zniesienia.

Wyniki tych obliczeń są pokazane na powyższym rysunku. Poprzednio pokazaliśmy, że ograniczając się do powierzchni Ziemi zużyjemy cały potencjał energii słonecznej w ciągu 400 lat. Kontynuacja wzrostu poza tą granicą czasową wymagałaby porzucenie wszystkich dodatkowych źródeł odnawialnych (bowiem wszystkie one czerpią energię ze Słońca) i skoncentrowania się na rozszczepieniu jądrowym lub syntezie termojądrowej. Analiza termodynamiczna mówi, że tak czy owak ulegniemy usmażeniu.

Skończmy z tymi bzdurami!

Celem powyższych obliczeń było pokazanie jak absurdalne jest założenie, że będziemy stale mogli zwiększać nasze zużycie energii – nawet w tempie wzrostu niższym od obserowanego w ostatnich 350 latach. Oczywiście tę analizę łatwo jest skrytykować pamiętając o przyjętych sztywnych założeniach. Wzrost zużycia energii – przynajmniej na dotąd obserwowanym poziomie 2,9% rocznie – nie będzie potrzebny, jeśli populacja naszej planety ustabilizuje się. Ale nie zapomnijmy głównej tezy: kontynuacja wzrostu energii stanie się fizycznie niemożliwa w przyszłości niedalekiej w porównaniu z okresem rozwoju ludzkiej cywilizacji.

Kiedy zrozumiemy, że fizyczny wzrost musi się kiedyś skończyć, wtedy zdamy sobie sprawę, że wzrost gospodarczy też musi się skończyć. Ten ostatni argument jest trudny do przełknięcia dla nas przyzwyczajonych do innowacji, zwiększanej wydajności, itp. Ale to już jest temat następnych artykułów.

Tłumaczenie: Irek Zawadzki

Autorem powyższego artykułu jest Tom Murphy, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Zafascynowany od dziecka astrofizyką prof. Murphy kieruje aktualnie projektem testowania Ogólnej Teorii Względności z użyciem laserów i reflektorów zostawionych przez astronautów na Księżycu. Jego zainteresowanie problemami energii zaczęło się od prowadzonego przez niego kursu na temat energii i środowiska naturalnego dla studentów nie specjalizujących się w naukach ścisłych. Ten i inne ciekawe rozważania profesora Murphy’ego można znaleźć na jego blogu: Do the Math