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 
