Ważniejsze problemy gospodarowania energią współczesnej cywilizacji

06 września 2020 r.

prof. dr hab. inż. Janusz Budny

Stowarzyszenie Naukowo-Techniczne „Energia i środowisko w mleczarstwie”

Co to jest problem?

Co to jest cywilizacja?

Co to jest gospodarowanie?

Problem można zdefiniować, jako „praktyczne zagadnienie, wymagające rozważenie”, lub „sprawa trudna do rozwiązania”.

Cywilizacja, to „poziom rozwoju społecznego i kultury materialnej osiągany przez formacje społeczno-ekonomiczne”.

Gospodarka. Spotkałem wieje objaśnień. Najbardziej skłaniam się do takiego określenia, że jest to… „umiejętność zarządzania zasobami.” A zasoby mogą być wielorakie: materialne, pieniężne. Ale też przypomina mi się tzw. „makatka”, która wisiała w kuchni mojej Babci: „Pamiętaj rozchodzie, żyj z przychodem w zgodzie!”. To też może być trafna definicja tego pojęcia, doskonale rozumiana przez tzw. „prostych ludzi”. Jeżeli w rodzinie wisi taka makatka, i jeżeli zasada w niej zapisana jest dokonywana, to znaczy, że w tej rodzinie dobrze się gospodaruje. A osoba, która tę zasadę przestrzega jest nazywana „dobrą gospodynią” lub „dobrym gospodarzem”. Te określenia można przenieść ze szczebla rodziny na szczebel państwa.

Dobrze by było, gdyby na szczeblu naszego globu konkretnej osobie, lub jakiejś organizacji, przypisać rolę „dobrego gospodarza”. Taką rolę tuż po drugiej wojnie światowej zaczęto przypisywać Organizacji Narodów Zjednoczony. Niestety, z niewielkim obecnie pożytkiem. Dlaczego?

Dlatego, że człowiek jest twórcą „problemów”. Tworząc społeczeństwa tworzymy „problemy” tych społeczeństw, społeczeństwa tworzą społeczność globalną, która tworzy „problemy” globalne. Problemy mogą tworzyć „konflikty”. U zaranie człowieka problemy z konfliktu między ludźmi były rozwiązywane przy pomocy kija. Później człowiek wymyślił łuk, który służył Mu do rozwiązywania problemów. Jeszcze później wymyślił miecz, następnie armatę itd.

Problemy globalne dotykają wiele dziedzin naszego życia.

Kiedy człowiek począł korzystać z różnych dóbr poczęły powstawać problemy dotyczące tego gospodarowania. Jedną z tych dóbr jest ENERGIA!

Kiedy na naszym globie pojawiło się ŻYCIE poczęło ono wykazywać zapotrzebowanie, do jego istnienia, właśnie energii.

Tę energię dostarczało, i dostarcza, SŁOŃCE. Chyba najwcześniej skorzystały z tego źródła rośliny, później zwierzęta, czyli i MY.

Wart w tym miejscu przytoczyć pewną starożytną legendę, według której My poczęliśmy wykorzystywać intensywnie energię cieplną, ze źródła o nazwie OGIEŃ. Tę osobą był legendarny PROMETEUSZ, który wykradł ogień bogom i podarował człowiekowi. Bogowie ukarali Prometeusza za to, przykuwając Go do skał Kaukazu. To legenda!

Od momentu, kiedy człowiek począł intensywne spalanie materialnych zasobów energii, począł się jednocześnie mierzyć z problemem właściwej gospodarki tymi zasobami. To już nie jest legenda!

W połowie ubiegłego wieku tzw. „raporty rzymski” sprecyzował kilka barier w rozwoju współczesnej cywilizacji. Wśród tych barier znalazła się bariera energetyczna. Definiowano ją, jako składową część bariery surowcowej. Kopalne zasoby surowców, w tym paliw, stanęły, bowiem przed perspektywą wyczerpania.

Ponadto, stanęliśmy wobec perspektywy znacznego zanieczyszczania produktami spalania, czyli spalinami. Spalanie paliw poczęło zagrażać środowisku człowieka. Człowiek stanął wobec perspektywy, że to nie brak energii, ale skutki ekologiczne jej nadmiernego przetwarzania poprzez spalanie mogą zagrozić gatunkowi ludzkiemu. W połowie XX wieku, głównie wskutek konfliktu zbrojnego na półwyspie arabskim, wywołanym wojną o ropę naftową, poczęto rozmyślać nad potrzebą sprecyzowania „energetycznego porządku świata”. Głównie poprzez racjonalizację gospodarki energią, a szczególnie poprzez racjonalizację gospodarki paliwami, których spalanie zagroziło środowisku człowieka.

Powstały ruchy społeczne: RUE- racjonalizacja użytkowania energii, poszanowanie energii, oszczędność w zużyciu energii. Na tle tych ruchów społecznych poczęły się krystalizować podstawowe prawdy przekształcane w problemy gospodarowanie energią przez społeczeństwa współczesnej cywilizacji. Spróbujmy wymienić, i krótko opisać ważniejsze.

Bezpieczeństwo energetyczne

W tzw. krajach wysokorozwiniętych wystąpiło uzależnienie ich społeczeństw od pewności dostarczania znacznych ilości energii, z różnych źródeł. Stało się tak na skutek industrializacji, urbanizacji i komunalizacji życia, wywołujących „metabolizm społeczny”. Metabolizm fizjologiczny człowieka wymaga doprowadzania do naszego organizmu jedynie około 20MJ energii dziennie. Głównie w postaci pożywienia oraz przy wykonywaniu niezbyt nadmiernego wysiłku! Natomiast powiększenie metabolizmu „społecznego” spowodowało pojawienie się środków transportu, mediów, wygody życia i jej powszechności, prowadzenia wojen. Co doprowadziło do nadmiernego wskaźnika zużycia energii, w definiowaniu na tzw. „głowę” ludności. Przodują w tym kraje bardzo wysoko rozwinięte pod względem przemysłowym. Ponadto dotyczy to również obszarów rolnictwa i produkcji żywności. Według niektórych doniesień literatury fachowej, np. zapotrzebowanie energii na głowę ludności w Stanach Zjednoczonych sięgnęło ponad 1000MJ !? Dziennie! Jednocześnie w krajach poważnie zapóźnionych w uprzemysławianiu, np. w niektórych krajach Afryki południowej i środkowej, wskaźnik ten nie przekracza 100MJ dziennie. Są to kraje biedne, narażane na katastrofy klimatyczne, opóźnione w rozwoju cywilizacyjnym, co poczęło zagrażać stabilizacji tych społeczeństwa i tych regionów.

Ale nie tylko ich! Czy możemy sobie, bowiem wyobrazić wielkie aglomeracje, pozbawione nagle bieżącego doprowadzania energii elektrycznej, paliw, przetworzonej żywności; nie mówiąc o poważanych zagrożeniach sanitarnych, np. odpadów! I śmieci!

Nasz kraj zadbał o swoje bezpieczeństwo energetyczne poprzez odpowiedni zapis w Konstytucji, o tzw. „rozwoju zrównoważonym”. Według tego określenia rozwój ten ma być „nieszkodliwy dla środowiska, poprawny technicznie i kulturowo, Efektywny ekonomicznie oraz akceptowany przez różne warstwy społeczeństwa”. Siłą rzeczy rola gospodarki energią, w tak ujętej formule rozwoju zrównoważonego, powinna być PODSTAWOWA! Utrzymywanie osiągniętego poziomu rozwoju cywilizacji nie może zaistnieć bez GWARANCJI dostępności różnych postaci energii, a zatem paliw. Już zachodzące wydarzenia militarne w niektórych częściach naszego globu, lub zagrożenia ich wystąpienia, wskazują na to, z jakim wysiłkiem należy się liczyć również w skali globalnej, aby zapewnić bezpieczeństwo energetyczne ludności naszej planety.

W wymiarze praktycznym bezpieczeństwo energetyczne jest utożsamiane z zasobnością paliw konwencjonalnych. Konwencjonalnymi poczyna się nazywać paliwa znajdujące powszechnie miejsce w gospodarkach krajowych. Np. w Polsce jest to, mimo pewnych zagrożeń klimatycznych i ekologicznych węgiel kamienny i, co gorsza, węgiel brunatny.

W ujęciu nie popularnym pytamy: na jak długo wystarczy ludności naszej planety paliw kopalnych, czyli wymienionego wcześniej węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego. Wszystkie zasoby są zdeponowane kiedyś prze NATURĘ! Czy na potrzeby współczesne? Po co to NATURA uczyniła?

Na podstawie wydarzeń współczesnych mam, być może, prawo wnioskować, że zanim zabraknie nam tych paliw, to zastaniemy zniszczeni przez produkty wydzielane w trakcie ich spalania.

W tym krótkim tekście nie zmieściłem wielu innych aspektów związanych z wydobywaniem i spalaniem paliw kopalnych. Dodam, że hierarchizowanie przez współczesnych najwyżej na liście problemów współczesnej cywilizacji, rodzi również coraz dłuższy szereg innych problemów wtórnych.

Efektywność wykorzystana energii

Czy ludzkości może zabraknąć energii? Możemy to również ująć inaczej. W popularnym ujęciu prowadzone są rozważania, na jak długo człowiekowi wystarczy paliw kopalnych. Najgorzej w tych rozważaniach znajduje się ropa naftowa, której człowiekowi może zabraknąć najwcześniej. Wynikiem takiej analizy są lata, które wynikają z podzielenia rozpoznanych zasobów przez aktualne wydobycie, np. roczne. Różne są też wyniki tej operacji matematycznej, bowiem człowiek odkrywa nowe zasoby paliw kopalnych. Ponadto, jeżeli wyniki takiej operacji matematycznej wykażą, że np. węgla kamiennego może nam wystarczyć na około 200 lat, to kto się rzeczywiście tym zmartwi?

Aby odsunąć niebezpieczeństwo braku energii, rozumiane, jako wyczerpanie jej zasobów, oraz odsunąć zagrożenia wobec środowiska przyrodniczego, chcemy ograniczyć nieuzasadniony, a nawet niemal „żywiołowy” wzrost zużycia tych zasobów i obniżyć zwykłe marnotrawstwo. Ono towarzyszy nam od zarania najpierw technologicznego, do przygotowania posiłków, do obecnego przemysłowego wykorzystania różnych rodzajów energii.

Pomimo powstawania tzw. „ruchów’ poszanowania, czy racjonalizacji zużycia energii. Niestety, również współczesny człowiek nie podchodzi do tej sprawy z należytym rozumieniem. Wystarczy popatrzeć na niezliczone pojazdy samochodowe na naszych drogach.

W niedalekiej przeszłości popularną wersją kotłów parowych były kotły walczakowe, zwane płomienicowymi, spalające węgiel kamienny. Z moich badań nad gospodarką energią w zakładach mleczarskich, w niedalekiej przeszłości, sprawność takich kotłów nie przekraczała 50%, a wielokrotnie spotykałem się również poniżej 40%!

Przy takich niegdyś wartościach sprawności kotłów, możemy powiedzieć, że ponad połowa masy tego paliwa była praktycznie marnowana.

A więc, czy efektywnie gospodarujemy tym czymś, co nazywamy ENERGIA?

A do czego nam jest ta energia potrzebna?

Aby ŻYĆ.

Jak wspomniałem wcześniej, żeby tylko ŻYĆ niezbędna jest nam określona ilość energii.

Czy obok troski o bezpieczeństwo energetyczne nie należy przywołać starań o efektywne wykorzystanie tych zasobów energii, które podarowała nam NATURA?

Łańcuch wykorzystywania zasobów energii jest oparty o tzw. poziomy gospodarowania. Związane są one z definicjami podstawowych rodzajów energii a więc energią w postaci pierwotnej i w postaci wtórnej, zwanej również uszlachetnioną. Wszak energia elektryczna jest uszlachetnioną postacią energii chemicznej, zawartej w paliwach pierwotnych. Takich jak węgiel kamienny czy brunatny. Przekręcając wyłącznik napięcia w naszych mieszkaniach nie widzimy całego poprzedzającego łańcucha wydarzeń, poczynającego się od górnika w kopalni węgla kamiennego.

Wyróżniamy następujące poziomy gospodarowania energią: poziom pozyskania pierwotnych postaci energii, poziom przemian, poziom użytkowania, poziom energii użytecznej i wreszcie poziom energii wykorzystanej. Między poziomami gospodarowania energią występują starty, które według różnych źródeł wynoszą:

A więc od momentu pozyskania energii pierwotnej, zawartej np. w węglu kamiennym czy ropie naftowej aż do rzeczywistego wykorzystania jej w jednostce produktu gotowego możemy odnotować nawet około 60% strat. Niektórzy autorzy szacują te straty na jeszcze wyższym poziomie. Z badań własnych, prowadzonych w zakładach mleczarskich, odsetek energii wykorzystanej w sposób technologicznie uzasadniony kształtował się na poziomie nawet 16%, a więc straty na poziomie 84%

Marnotrawstwo energii występuje w procesach przemian energetycznych oraz podczas wykorzystywania jej w procesach technologicznych.

Właściwym kryterium oceny rozmiaru marnotrawstwa w procesach przemian energetycznych jest ich sprawność. Przemiana energetyczna to jest zamiana jednego rodzaju energii na inny. Pojęcie sprawności jest na ogół znane, jest to, bowiem porównanie ilości energii uzyskanej w procesie przemiany energetycznej, do ilości energii, jaką do tej przemiany doprowadzono. Może być wyrażona w liczbach niewymiernych lub w procentach.

Powszechną przemianą energetyczną, zwaną spalaniem, jest zamiana energii chemicznej paliwa na energię cieplną w parze wodnej. Taka przemiana energetyczna dokonuje się np. w kotłach parowych. W prymitywnej konstrukcji kotłach parowych, typu płomienicowego, sprawność wynosi nawet poniżej 50%. Czyli popularyzując nieco tę sprawę, z każdego kilograma węgla kamiennego, wprowadzonego do komory paleniskowej kotła parowego tracimy pół kilograma. Węgiel kamienny, jako paliwo najszerzej stosowane we współczesnej technice, jest pod względem uzyskiwanych sprawności paliwem najmniej korzystnym. Jest jednak w Polsce paliwem pozwalającym na uzyskiwanie najtańszej użytecznej jednostki ciepła, a więc chętnie stosowanym. Paliwa ciekłe i gazowe pozwalają na wydatne powiększenie sprawności kotłów. Czyli obniżenie ponoszonych strat.

Mimo tej zachęcającej do ich stosowania właściwości uzyskiwania przez ich spalanie użyteczna jednostka ciepła jest najdroższa. Dylemat to konieczność dokonania wyboru z dwu również niekorzystnych sytuacji. Czyli: albo wytwarzać tanią, ale nieekologiczną i obarczoną dużymi stratami użyteczną jednostkę ciepła, albo wytwarzać ją drogo? Kraj nasz jest zachęcany do powiększania udziały paliw ciekłych i gazowych w krajowym bilansie energetycznym. Polska, posiadająca niewielkie zasoby tych paliw, musi je importować. Stajemy się, więc uzależnieni, a tym samym obniżamy swoje bezpieczeństwo energetyczne. W ten sposób obracamy się w klasycznym kręgu problemów gospodarki energią współczesnej cywilizacji.

Przywołajmy jeszcze inny przykład tego dylematu. W oświetleniu żarowym, czyli popularnej żarówce tylko niewielka część energii elektrycznej zamieni się w energię świetlną/ Większość jest tracona wraz z wydzielającą się energią cieplną. W tzw. „żarówkach” energooszczędnych, ta proporcja jest odwrócona. Jednak takie żarówki są nawet znacznie droższe.

W obszarze działań ograniczających marnotrawstwo wymienia się dwie dyscypliny: energetykę i gospodarkę energią. Energetyka jest działem techniki zajmującym się wytwarzaniem i przesyłaniem energii. Wytwarzanie i przesyłanie energii może być źródłem znacznych strat. Sprawność wytwarzania i przesyłania energii w Polsce, produkowanej na bazie węgla brunatnego i kamiennego nie przekracza 40%.

Natomiast gospodarka energią to dział techniki właściwy wykorzystywaniu użytecznych rodzajów energii. W gospodarce energią sosowanym kryterium oceny jakości tej gospodarki jest jednostkowy wskaźnik zużycia energii. Wskaźnik ten informuje, ile energii zużywa się na wyprodukowanie jednostki towaru lub usługi. Powinniśmy dbać o to, aby wartości liczbowe jednostkowych wskaźników zużycia energii były jak najmniejsze. Nie zawsze jednak tak się dzieje. W przemyśle spożywczym przeczy temu nadmierne wydłużanie procesów technologicznych i nie poddawania ich analizie energetycznej. Wskaźnik jednostkowego zużycia energii elektrycznej na przerobienie 1000 litrów mleka w przemyśle mleczarskim w Polsce, według różnych źródeł i badań własnych, zawiera się w granicach około 160-400 kWh. Co powoduje występowanie tak znacznej różnicy? Najczęściej są to możliwe do usunięcia przyczyny. A więc np. irracjonalne dążenie do produkowania tzw. Nowości, zwanych obecnie „innowacjami”, wymagającymi wydłużenia procesu technologicznego o dodatkowe jednostkowe procesy termiczne czy mechaniczne. Procesom tym zazwyczaj towarzyszy pogorszenie właściwości biologicznych produktu spożywczego przy powiększonym zużyciu energii. Jest to, więc swoistego rodzaju paradoks energetyczny w technologii żywności. Podobnym paradoksem jest w polskim przemyśle mleczarskim kilkakrotne poddawanie mleka procesowi pasteryzacji, czyli repasteryzacja. Przykładem braku analizy energetycznej w technologii żywności może być nadmierne wykorzystywanie procesów termicznych zamiast mechanicznych, o których wiadomo, że wymagaj mniejszego zużycia energii. Zamiast stosować bardzo energochłonne i nieefektywne energetycznie procesy suszenia rozpyłowego trzeba dokonać analizy, czy podobnych efektów technologicznych nie można uzyskać stosując takie procesy jednostkowe, jak wirowanie, tłoczenie, prasowanie.

Sfera gospodarki energią jest trudna do jej racjonalizacji, a jej rozmiary powiększają się. Użytkownicy energii są rozproszeni i na ogół nie dysponują wyspecjalizowanymi służbami technicznymi przeznaczonymi głownie, a nawet przed wszystkim, do troski o racjonalizację i właściwą gospodarkę różnymi rodzajami energii. W takich przypadkach centralne zarządzanie gospodarką energią, np. przez państwo, sprowadza się najczęściej do odpowiednio dużej ceny jednostkowej energii, aby w ten sposób zachęcić do zmniejszenia jej zużycia. W sferze komunalnego wykorzystania energii elektrycznej czy cieplnej trzeba przełamywać pewne postawy mentalnościowe, a więc stereotypy. Taką postawą jest np. niechęć do limitowania zużycia energii. A może już jest potrzeba jej normowania?!

W tytule tego wystąpienia zawarłem informację, że zajmę się „ważniejszymi” problemami gospodarowania energią., Zająłem się dwoma z nich, które traktuję jako rzeczywiście istotne. Przeznaczyłem to bezpieczeństwu energetycznemu, które jest szczególnie związane z efektywnością wykorzystania energii użyczonej człowiekowi przez NATURĘ. Jeżeli człowiek sprosta temu wyzwaniu, utrwali swój pobyt na ZIEMI. Przytoczę w tym miejscu myśl sprecyzowaną przez Jonathana Swifta (1667-1745): …” jeśliby ktokolwiek mógł spowodować, aby wyrosły dwa kłosy zboża lub dwa źdźbła trawy na ziemi, na której rosło dotychczas tylko jedno, lepiej przysłużył się ludzkości i zrobił więcej dobrego dla swojego kraju, niż całe zastępy polityków razem wzięte”!?

Część przedstawionych w tym eseju rozważań zaczerpnąłem z mojego wystąpienia na X-tej Międzynarodowej Sesji Naukowej „Postęp w technologii, technice, analityce i organizacji mleczarstwa”, w Olsztynie, 9-10.07.2006 roku, str. 17-23. Dlaczego to czynię? Uznałem, że mimo upływu lat, w niczym ówczesne moje spostrzeżenia nie utraciły na swojej treści.

A czas biegnie!