Człowiek a energia

Autor: Prof. dr inż. Marek Jaczewski, Instytut Energetyki

(„Energetyka” – kwiecień 2006)



Historia użytkowania energii przez człowieka

Początki wykorzystywania energii przez człowieka sięgają w zamierzchłą przeszłość.
Starożytni Grecy stworzyli mit o Prometeuszu, który wykradł ogień bogom z Olimpu i dał go
ludziom. Miała go spotkać za to straszna kara: został przykuty do skały na Kaukazie, gdzie
sępy jemu, nieśmiertelnemu miały po wieczne czasy wydziobywać wątrobę.

Wiele lat później filozofowie zastanawiając się nad początkami ludzkiego działania ukuli
powiedzenie, że praca jest uczłowieczeniem ludzkości i tym różni człowieka od zwierząt
(Engels). Nie zgadzam się tą definicją, gdyż wiele zwierząt ciężko a, nawet bardzo zmyślnie
pracuje budując swoje siedziby - np. bobry, pszczoły, mrówki, ptaki i wiele innych. Cóż więc
różni człowieka od zwierząt?

Uważam, że właśnie umiejętność korzystania z ognia, a właściwie szerzej wykorzystywania
zewnętrznych sił przyrody, a zwłaszcza energii, dla wzmocnienia swoich własnych, dość
słabych sił biologicznych. Energetyka, polegająca właśnie na wykorzystywaniu przez
człowieka zewnętrznych sił przyrody, byłaby tym, co różni nas od zwierząt. Istotnie nie ma
bowiem zwierzęcia, które potrafiłoby korzystać z ognia tak, jak człowiek. A więc nie od
pracy, lecz od energetyki rozpoczyna się uczłowieczenie ludzkości.

Równocześnie jednak człowiek coraz bardziej uzależnia się od dostaw energii i dziś już
trudno sobie wyobrazić życie ludzi bez mniej lub bardziej niezawodnego zaopatrzenia w
energię, a zwłaszcza energię elektryczną. Awarie systemów energetycznych w ciągu ostatnich
lat są dobitnym tego przykładem. Bez obawy o popełnienie wielkiego błędu można
zaryzykować twierdzenie, że energia stała się już czynnikiem warunkującym życie człowieka
podobnie, jak powietrze i woda. Dlatego też od lat toczy się dyskusja czy energia jest
towarem, jak wiele innych, czy też czymś wyjątkowym, określanym często jako służba
publiczna (angielskie: commodity or public service) i jak ją w tej sytuacji traktować.

Szczególna rola przypada energii elektrycznej, bez której trudno sobie wyobrazić życie
współczesnego człowieka, korzystającego z oświetlenia, radia, telewizji i całej aparatury
medycznej podtrzymującej wręcz życie człowieka.

Właśnie relacjom między człowiekiem i energią i różnym wynikającym stąd implikacjom
poświęcony jest niniejszy artykuł.

Trzeba rozpocząć od próby określenia, od kiedy i jakie ilości energii zużywali ludzie w
różnych okresach swego działania. Opierać się przy tym będziemy na wynikach różnych
badań archeologicznych, historycznych i społecznych i znajomości różnych procesów
energetycznych, związanych z wykorzystywaniem energii przez człowieka.

Zadanie nie jest wcale tak trudne jak mogłoby się wydawać. Okazuje się bowiem, że jeszcze

dziś na świecie istnieje wiele społeczeństw na różnych etapach rozwoju społecznego i
kulturalnego. Można to jeszcze dziś obserwować w krajach rozwijających się. Istnieją
społeczności żyjące jeszcze na etapie zbieractwa, myślistwa itd. Można próbować oszacować
ilości zużywanej przez nie energii. Oczywiście w tych szacunkach trzeba uwzględnić postęp
techniczny, jaki tymczasem następował. Na wyprodukowanie tony stali czy innych
materiałów, zużywa się dziś znacznie mniej energii niż dawniej i dlatego oceniając zużycie
energii w dawnych czasach musi się tę różnicę uwzględniać.

Prawie nie ma już plemion, które do krzesania ognia używałyby jeszcze krzesiwa czy hubki.
Można jeszcze znaleźć ludzi, którzy umieją rozniecić ogień przez pocieranie kawałków
drewna, ale są to już rzadkie wyjątki. Zapałki są ogólnie dostępne. Palenie ognia przez całą
dobę, aby uniknąć rozpalania go przestało być problemem (por. film Walka o ogień).

Dzięki badaniom plemion na Nowej Gwinei, niektórych plemion afrykańskich i Indian w
Ameryce Południowej oszacowano zużycie energii przez plemiona żyjące na etapie
zbieractwa na ok. 1000 kcal na mieszkańca na dobę. Jest to energia potrzebna do
przygotowania gotowanej strawy dla niewielkiej rodziny. 1000 kcal odpowiada ok. 100 g
ropy naftowej (ok. 1/

2

szklanki lub 1/2 kg drewna). Zużycie energii wzrastało z uprawą roli i

udoskonalaniem narzędzi, związanym ze swego rodzaju hartowaniem drewnianych narzędzi
w ognisku. Ocenia się, że społeczeństwa rolnicze, wypiekające pieczywo zużywają już ok.
5000 kcal na mieszkańca na dobę. W starożytności, gdy pojawiła się metalurgia (wyroby z
miedzi, brązu i wreszcie żelaza), zużycie energii wzrosło do 10 000 do 15 000 kcal na
mieszkańca na dobę. Epoka brązu to ok. 5000 lat p.n.e, a stal to 1000- 1500 lat p.n.e.

Więcej danych mamy o okresie starożytnego Rzymu i Grecji. Oprócz coraz bardziej
wyszukanych potraw stosowano już podgrzewanie wody dla celów sanitarnych (thermy) i
ogrzewania pomieszczeń, nie mówiąc już o różnych przemysłach, takich jak tkactwo,
farbiarstwo, no i oczywiście produkcja coraz lepszej broni, narzędzi, uszczelnianie smołą
statków itd.

Rys. 1. Młyny wodne do irygacji okolicznych upraw zbudowane w czasach Hammurabiego, czynne do dziś w
Syrii (Homs) nazywane „Nurija". W miarę zużywania się wymieniane są jedynie drewniane łopatki (fot. Autora)

Poziom zużycia energii wzrósł i kształtował się od 20 000 do 25 000 kcal na mieszkańca na
dobę i bardzo się różnił w różnych regionach ówczesnego świata. Pojawiły się także coraz
bardziej zróżnicowane paliwa: gaz ziemny, olej skalny i węgiel kamienny, a także torf i darń,
używane nawet w Polsce do wytopu żelaza. W średniowieczu rozszerzyło się wykorzystanie
energii wodnej do napędu młynów, choć pierwsze młyny wodne do rozprowadzania wody
przeznaczonej do irygacji gruntów uprawnych pochodzą jeszcze z czasów starożytnego
Babilonu (ok. 1700 lat p.n.e.) i nawet działają do dziś (Hama i Homs) w Syrii.

W wielu krajach rozwinęło się także wykorzystywanie energii wiatru do napędu przy
mieleniu zbóż i jest stosowane do dziś.

W transporcie wodnym bardzo długo wykorzystywana była energia wiatru (od starożytności
do wynalezienia maszyny parowej). Wyparł ją jednak napęd mechaniczny ze względu na
terminowość dostaw i uniezależnienie od pogody. Obecnie zużycie energii na świecie jest
bardzo zróżnicowane.

W tabeli 1 podano zużycie energii pierwotnej i elektrycznej na mieszkańca dla krajów o
największym i najmniejszym zużyciu, a także średnią światową.

Obecnie średnie zużycie energii pierwotnej na świecie wynosi ok. 1,64 toe na mieszkańca
rocznie, to jest ok. 4,5 kg oleju ekwiwalentnego dziennie. Skrót „toe" oznacza tonę oleju
ekwiwalentnego o wartości opałowej 10 000 kcal/kg. Odpowiada to więc zużyciu ok. 45 000
kcal na mieszkańca na dobę. Widać więc, że obecnie na świecie zużywamy średnio ok. 45
razy więcej energii na dobę niż człowiek w początkach swej egzystencji.

Jak wynika z danych w tabeli 1 wartości stosunku zużycia energii pierwotnej w krajach o
zużyciu największym do zużycia w krajach o zużyciu najmniejszym dochodzą do 100 razy, a
dla energii elektrycznej do ponad tysiąca razy. Sytuacja jest więc dramatyczna. Szacuje się, że
1/3 ludzkości nie ma w ogóle dostępu do energii elektrycznej, a różnice w korzystaniu z
różnych form energii są równie poważne.

Rozkład terytorialny zużycia energii jest też bardzo nierównomierny. Gros energii zużywane
jest przez najbardziej rozwinięte kraje świata, a jednocześnie ok. 1/3 ludzkości nie ma do niej
dostępu w ogóle, lub w bardzo ograniczonym stopniu.


Rozmieszczenie zasobów surowców energetycznych

Największe złoża ropy naftowej znajdują się na Syberii, na Bliskim i Środkowym Wschodzie,
w Ameryce Północnej (USA i Kanada), Południowej (Wenezuela, Argentyna i Szelf
Brazylijski), w Zatoce Meksykańskiej i w Indonezji.

Największe zasoby gazu ziemnego znajdują się w syberyjskiej części Rosji, na Bliskim
Wschodzie, w Ameryce Północnej (USA i Kanadzie), w Europie pod Morzem Północnym i
na Szelfie Norweskim, w Afryce Północnej, a także na Dalekim Wschodzie (Wietnam).

Największe zasoby węgla kamiennego znajdują się Południowej Afryce, Australii, w obu
Amerykach, Europie (Polska, Niemcy, Anglia i Francja, Ukraina), w Azji (Chiny, Indie,
Wietnam i Indonezja).

Zasoby paliw kopalnych są bardzo nierównomiernie rozrzucone po świecie, co miało wpływ
na ogromny rozwój światowego handlu surowcami energetycznymi.


Światowe zasoby surowców energetycznych źródeł energii

Obecne zasoby energii pierwotnej na ziemi dzieli się na źródła odnawialne i nieodnawialne.
Do źródeł nieodnawialnych zalicza się paliwa kopalne: węgiel kamienny, węgiel brunatny,
ropę naftową, łącznie z gazem ciekłym, naturalne bituminy (łupki bitumiczne), gaz ziemny,
paliwo uranowe.

Do odnawialnych źródeł energii zalicza się: energię słoneczną i jej pochodne, energię wodną
rzek, energię wiatru, energię fal morskich i przypływów, drewno i biomasę, energię
geotermalną, inne (np. spalanie odpadów).

Zasoby energii dzieli się na zasoby ogólne (resources) i rezerwy udokumentowane (proved

reseves in place), nadające się do eksploatacji. Światowe zasoby różnych rodzajów energii i
ich roczną produkcję zestawiono w tabeli 2.

Dane zawarte w tabeli 2 potwierdzają, że w bieżącym stuleciu światu jako całości nie grozi
niedobór surowców energetycznych. Stwierdzone rezerwy węgla przy obecnym poziomie
zużycia wystarczają na ponad 200 lat, natomiast rezerwy ropy naftowej i gazu ziemnego są
znacznie mniejsze i wystarczą na około pół wieku. Pamiętać należy, że rezerwy te stanowią
tylko cześć globalnych zasobów surowców energetycznych znajdujących się w skorupie
ziemskiej (zaliczanych do kategorii „Proved amount in place" oraz „Estimated additional").
Globalne zasoby są wielokrotnie większe od rezerw przedstawionych w tabeli 2.

Opierając się na niepełnych danych zawartych zarówno w Przeglądzie ŚRE jak i w innych
opracowaniach, na przykład we wspólnym raporcie ONZ i ŚRE World Energy Assessment [4]
szacuje się, że zasoby surowców energetycznych są większe: dla węgla, co najmniej
ośmiokrotnie, dla ropy naftowej, z uwzględnieniem łupków i piasków bitumicznych, ponad
trzykrotnie, dla gazu ziemnego blisko trzykrotnie.


Efektywność wykorzystania energii

Wobec ograniczonych zasobów nieodnawialnych, a także i odnawialnych źródeł energii,
podstawową sprawą staje się efektywność wykorzystania energii. Na świecie jest ona także
bardzo różna.

Zwykle ocenia się ją jako ilość energii potrzebną w danym kraju na wytworzenie produktu
krajowego brutto, a więc jako stosunek TPES/PKB. Trzeba przy tym zwracać uwagę na
sposób określania PKB. Z dotychczasowych doświadczeń autora wynika, że trzeba brać pod
uwagę PKB wyrażany w jednostkach uwzględniających siłę nabywczą pieniądza (ppp -
pricing power parity), a nie oficjalny kurs wymiany, który zależy w znacznym stopniu od
polityki makroekonomicznej danego państwa i dlatego nie zawsze oddaje właściwie sytuację
gospodarczą. Np. w okresie gospodarki centralnie sterowanej we wszystkich krajach
„socjalistycznych" prowadziło to do pozornej energochłonności zwiększonej ok. 2,5-krotnie.

W tabeli 3 zestawiono orientacyjnie wskaźniki energochłonności dla wybranych części świata
i niektórych krajów.

Energia a środowisko

Pozyskiwanie surowców energetycznych i produkcja energii uważane są za główne
przyczyny zanieczyszczania środowiska. Zwłaszcza lokalnie w okręgach górniczych i
przemysłowych występuje wyraźne zanieczyszczenie środowiska, głównie w formie
zanieczyszczenia wód wodami odprowadzanymi z kopalń i pyłów towarzyszących sortowaniu
paliw, a także gazów spalinowych i pyłów w tych gazach.

Ograniczanie emisji tzw. gazów cieplarnianych jest także poważnym problemem. Nie jest to
jednak zjawisko bezsporne. Okazało się bowiem, że ilość dwutlenku węgla związana z
działalnością człowieka stanowi mniej niż 2% naturalnej emisji związanej z wybuchami
wulkanów czy pożarami lasów wywoływanymi przez burze. Badania lodowców na
Grenlandii, Alasce i Antarktydzie pozwoliły określić zawartość różnych gazów w ciągu
ostatnich 400 000 lat i pokazały, że zmiany w składzie ziemskiej atmosfery gazy cieplarniane
występowały zawsze i że „średnia temperatura atmosfery" wahała się w granicach -1 do +8
stopni Celsjusza z okresami wahań ok. 100 000 lat. Przyczyna tych wahań nie jest znana.
Przypuszcza się, że mogą to być np. zmiany magnetyzmu Słońca, na które człowiek nie ma
wpływu.

Należy zatem unikać lokalnych zanieczyszczeń i w miarę możności zapobiegać degradacji
środowiska. W Polsce np. bardzo zmniejszono emisję dwutlenku siarki i pyłów, dzięki
stosowaniu odsiarczania spalin w elektrowniach i instalacjom odpylania z zastosowaniem
nowoczesnych elektrofiltrów. Polska podpisała szereg konwencji w tym zakresie i stara się je
przestrzegać.


Energia a zdrowie człowieka

Jak już wspomniano przytłaczająca większość urządzeń stosowanych dla ochrony zdrowia
korzysta z różnych rodzajów energii, a przede wszystkim z energii elektrycznej.

Bardzo ogólnym wskaźnikiem charakteryzującym tę sytuację jest porównanie średniego
wieku ludności w różnych krajach ze zużyciem energii. Przykładowe informacje pokazano na
rysunku 3.

Energia a kultura

Przykład związku między zużyciem energii a rozwojem kultury może stanowić stopień
analfabetyzmu w rozpatrywanym kraju. Odpowiedni wykres oparty na danych ONZ podano
na rysunku 4.

Dotychczasowy wzrost zapotrzebowania energii

Od początku działalności człowieka jego zapotrzebowanie na energię czerpaną z różnych
źródeł szybko wzrastało. Począwszy od ok. 1000 kcal/c (tj. ok. 0,1 kg oe na dobę) w epoce
jaskiniowej, gdy ogień bronił go przed dzikimi zwierzętami, ułatwiał przygotowanie
posiłków, zapotrzebowanie na energię w obecnych rozwiniętych krajach wzrosło niemal
1000-krotnie.

Zmiany tego zapotrzebowania pokazano na kolejnym rysunku. Wyraźnie widać gwałtowny
wzrost zużycia energii przez człowieka w miarę rozwoju cywilizacji. Trudno przewidywać,
jak długo może to trwać. Na rysunku 5 zastosowano wykładniczą skalę dla energii. Nie widać
żadnych objawów nasycenia, a jak już wiadomo obecnie wykorzystywane źródła energii
szybko się wyczerpią. Jeśli wzrost zużycia energii ma następować nadal, to człowiek musi
szybko znaleźć nowe jej zasoby.

Wyraźnie rośnie uzależnienie człowieka od dostępności energii, a zwłaszcza energii
elektrycznej. Stała się ona niezbędną do normalnego życia, podobnie jak powietrze i woda.

Przyszłe zapotrzebowanie energii

Dalszy wzrost zapotrzebowania energii można jedynie szacować. Szacunki takie
przygotowała między innymi Międzynarodowa Agencja Energetyczna (MEA lub IEA =
International Energy Agency) w Paryżu i Światowa Rada Energetyczna (WEC = World
Energy Council) w Londynie.

W tabeli 4 zestawiono spodziewane zapotrzebowanie energii pierwotnej wg tych prognoz.
Prognoza WEC dotyczy najbardziej prawdopodobnego scenariusza „B", który w gruncie

rzeczy przewiduje kontynuację dotychczasowego rozwoju.

Ogólne problemy zaopatrzenia w energię

Światowa Rada Energetyczna (World Energy Council) zwróciła ponownie uwagę na bardziej
ogólne problemy związane z zaopatrzeniem ludzi w dostawy energii.

Opracowano nawet specjalną książkę [7] poświęconą tym zagadnieniom. Ze względu na
ogromne uzależnienie współczesnego człowieka od dostaw energii nie można tego
zagadnienia traktować wyłącznie jako problem gospodarczy.

Od dawna znany jest problem prawny: czy można odłączyć zasilanie odbiorcy, który przestał
płacić za dostarczoną energię? Okazuje się, że nie zawsze. Przerwanie zasilania może na
przykład spowodować śmierć ludzi podłączonych do aparatury podtrzymującej życie,
podobnie może być podczas operacji w szpitalu, a nawet w przemyśle, gdzie może wystąpić
zagrożenie życia itp.

Można postawić bardziej ogólne pytanie: czy celem działania przedsiębiorstwa
energetycznego jest maksymalizacja zysku, czy coś innego?

Odpowiedź na to pytanie nie jest łatwa. Okazuje się bowiem, że rosnące wzajemne
uzależnienie człowieka i energii prowadzi do wniosku, że celem działania Energetyki nie jest
jedynie działalność gospodarcza, ale przede wszystkim zapewnienie człowiekowi możliwie
niezawodnej dostawy energii, która stała się niezbędnym warunkiem życia, jak woda czy
powietrze.

Stwierdzając fakt, że 1/3 ludzkości nie ma dostępu do energii elektrycznej, Światowa Rada
Energetyczna doszła do wniosku, ze sama gospodarka rynkowa nie jest w stanie rozwiązać
problemów energetycznych człowieka i konieczna jest ingerencja państwa w problemy
energetyczne współczesnego świata. Jest to odbicie starego problemu czy energia jest
towarem, czy służbą publiczną, jak dostawa wody czy pożywienia (public service or
commodity).

Zagadnienie to ma bardzo praktyczne znaczenie dla prowadzenia ruchu w systemach
energetycznych. Priorytet utrzymania stabilności pracy systemu i niezawodności zasilania jest
ważniejszy od chwilowych kosztów dostawy i musi być bezwzględnie utrzymany.
Nastawienie na maksymalizację zysku doprowadziło m.in. do wielkich awarii systemowych i
tzw. blackoutów w wielu krajach (np. USA, Kalifornia).

LITERATURA

[1] Kopecki K.: Człowiek w świecie energii

[2] Curan S.C.: Energy and Human Needs, wyd. J.S. Curan, Edinburgh 1979, Scotish
Academic Press

[3] Energy for Tomorrow's World, WEC, wyd. St. Martins Press, New York 1993

[4] Energy for Tomorrows World - Acting Now, WEC Statement 2000, Wyd. WEC 2000

[5] Living in One World , str. 196, WEC, 2001

[6] Nowacki J.P: Wodór jako nowy nośnik energii. Wyd. Ossolineum 1983, str. 196

[7] Rifkin J.: The Hydrogen Economy. Wyd:Jeremy Tarcher, Penguin Group USA 2002

[8] Valeurs Ajoutees, Experiences ethiques dans le secteur de 1'energie. Wyd. WEC 2001, s.
239

[9] Soliński J.: Światowe rezerwy surowców energetycznych..., Energetyka 2002, nr 2, s. 59-
63

[10] World Energy Outlook 2004, Wyd. IEA, Paris 2004, s. 570

[11] Key World Energy Statistics 2003, Wyd. IEA 2003, s. 73

[12] Sweet W. Bretz E. A. Toward Carbon-Free Energy. IEEE Spectrum, Nov.1999, s. 31