System energetyczny jako kategoria teoretyczna

System energetyczny jako kategoria teoretyczna Autor: dr Halina Rechul ( Energetyka - maj 2010r.) Od kilkudziesięciu lat obserwujemy wzrost popularności podejścia systemowego i coraz częstsze wykorzystanie ogólnej teorii systemów w różnych dziedzinach nauki i w powszechnym rozumieniu świata oraz naszego najbliższego otoczenia. Postrzeganie i badanie pewnych obiektów - obojętne czy to będzie organizm ludzki, gospodarka narodowa, czy system energetyczny może opierać się na dwóch krańcowo odmiennych podejściach. Jedno można nazwać analityczno atomistycznym, a drugie systemowym 1 i holistycznym. Pierwsze podejście koncentruje się na jak najgłębszej analizie pierwotnych, najmniejszych możliwych do wyodrębnienia składników, natomiast drugie skupia się na badaniu związków i funkcjonowaniu większych, bardziej złożonych całości. W nauce jedno i drugie podejście ma swoje uzasadnienie, są one bowiem komplementarne. Teoria systemów 2 i analiza systemowa 3 wzbogacają wiedzę o świecie, ale przede wszystkim mają na celu pogłębienie rozumienia świata, ponieważ samo posiadanie wiedzy o świecie nie jest już wystarczające. Filozoficzne źródło teorii systemów wywodzi się z teorii Arystotelesa, mówiącej, że całość to coś więcej niż suma części składających się na tę całość. Taka teza jest podstawą podejścia, które w filozofii określa się jako holizm. Teoria systemów traktowana jest zazwyczaj jako metadyscyplina służąca rozwojowi innych dyscyplin i dająca szansę większej integracji nauk przyrodniczych i społecznych. Czym jest system jako kategoria teoretyczna? Jak można zdefiniować to pojęcie? Biolog, Ludwig von Bertalanffy, uważany za twórcę tzw. ogólnej teorii systemów, mówi o systemie jako o całości składającej się z części pozostających w stanie interakcji. 4 Według niego każdy organizm stanowi system, w którym rola poszczególnych części jest uzależniona od ich 1 Badania systemowe wywodzą się z kultury antycznej. Za ich prekursora uważa się Arystotelesa. Jego widzenie świata nazwano holizmem. Według Arystotelesa wszelkie zjawiska należy ujmować całościowo, ponieważ świat jest uporządkowany jako całość, która jest więcej niż sumą jej elementów. Jednak od końca XVII wieku w nauce dominowała postawa mechanistyczna, która towarzyszyła rozwojowi fizyki. Dominacja postawy mechanistycznej i deterministycznej trwała do lat czterdziestych XX wieku. Powojenny rozwój nauk szczegółowych spowodował renesans holizmu i badań systemowych. 2 Pod pojęciem teorii systemów należy rozumieć, w kontekście niniejszych rozważań, ogólne wskazówki metodologiczne, czyli pewną filozofię myślenia badawczego. Inaczej mówiąc, jest to określony sposób myślenia i postępowania, w którym badane obiekty i zjawiska traktowane są całościowo wraz z ich wewnętrznymi i zewnętrznymi relacjami. Zob. W. Bojarski: Efektywność systemowa przedsięwzięć gospodarczych, wyd. Wyższa Szkoła Zarządzania i Przedsiębiorczości im. Bogdana Jańskiego w Warszawie, Warszawa 2001, s. 51. 3 Analiza systemowa jest metodą rozwiązywania problemów związanych z doskonaleniem, polegającą na wykorzystaniu podejścia systemowego. Może być określona jako dialog między decydentem a analitykiem systemów, w którym decydent dowiaduje się o różnych wariantach rozwiązania tych problemów, o alternatywach celów i kryteriów, o przewidywanych kosztach i efektach wybranych kierunków działań. 4 L.von Bertalanffy: Ogólna teoria systemów. Podstawy, rozwój, zastosowania, PWN, Warszawa 1984, s. 48. 1

miejsca w całości tego systemu 5. W roku 1947 Bertalanffy uogólnił tę koncepcję, tworząc tak zwaną ogólną teorię systemów. Według niego teoria ta jest logiczno-matematyczną dziedziną nauki, której zadanie polega na wyodrębnianiu i formułowaniu takich ogólnych zasad, które mogą być zastosowane do systemów w ogólności 6, system zaś jest dynamiczną, samoorganizującą się strukturą, wyrażoną matematycznie w postaci równań różniczkowych. Definicja systemu sformułowana przez Checklanda jest zbliżona do wielu innych definicji przytaczanych w literaturze przedmiotu: Podstawowa koncepcja systemu zawiera pojęcie zestawu elementów powiązanych ze sobą w ten sposób, że tworzą pewną całość. Całość ta wykazuje cechy, które nie są cechami jej poszczególnych składników. 7 Systemy są uporządkowaną złożonością, każdy z nich ma pewną strukturę, wewnętrzną organizację i zasady działania. Odnosi się to do wszystkich systemów, niezależnie od stopnia złożoności. Cechą systemu jest również to, że można go względnie wyodrębnić z otoczenia. Możemy więc powiedzieć, że systemy to względnie wyodrębnione, uporządkowane całości, mające cechy nie będące cechami ich składników. W zespole badań systemowych najważniejsze staje się zdefiniowanie pojęcia systemu, a także uświadomienie sobie, na czym polega istota różnych typów obiektów systemowych. Między elementami zbioru tworzącego system istnieją ustalone relacje i sprzężenia. W badaniach systemowych nie tylko ustala się je, lecz specjalnie wydziela się te spośród nich, które zapewniają integralność systemu. Funkcjonowanie systemu w środowisku jest oparte na ustalonym uporządkowaniu elementów, relacji i sprzężeń. Różne pod względem strukturalnym i funkcjonalnym aspekty uporządkowania tworzą podstawy struktury hierarchicznej systemu, czyli podział systemu na podsystemy. Ważną cechą systemów jest ich struktura, związana z takimi pojęciami jak element, integralność czy sprzężenie. Pojęcie element intuicyjnie wydaje się jasne. Należy jednak zauważyć, że dla każdego systemu pojęcie to nie jest jednoznacznie określone. Badany system można bowiem podzielić na różne sposoby i mówić o elemencie tylko odnośnie do określonego sposobu podziału. Odmienny podział prowadzi do wyodrębnienia innego składnika jako elementu pierwotnego. Najogólniej rzecz ujmując, przez element rozumie się najdrobniejsze składniki systemu, których połączenie tworzy bezpośrednio lub pośrednio system. Ponieważ element występuje jako swoista granica możliwego podziału obiektu, jego własna struktura (lub skład) nie jest uwzględniana przy opisie systemu, a składników elementu nie rozpatruje się jako składników systemu. Mniej jasne od pojęcia elementu jest pojęcie integralności. Zauważyć należy, że odnosi się ono nie tyle do samego systemu, co do metod jego badania. Oznacza to potrzebę stworzenia specyficznego opisu systemu jako całości, różniącego się od opisu zbioru elementów systemu, a także podkreślenia specyficznego przeciwieństwa systemu i jego otoczenia, będącego wynikiem aktywności wewnętrznej systemu. 5 A. Michałowski: Środowisko i gospodarka jako system cybernetyczny, Ekonomia i Środowisko nr 1/2007. 6 T. Jajuga i in., Elementy teorii systemów i analizy systemowej, Wyd. Akademii Ekonomicznej, Wrocław 1993 s. 12. 7 P. Checkland: System Thinking. System Practice, John Wiley and Sons, Chichester 1981, s.3. 2

W badaniach systemowych największe znaczenie ma pojęcie sprzężenia, gdyż występuje ono we wszystkich pracach dotyczących badań systemowych. Częste stosowanie tego pojęcia nie przyczyniło się jednak do jednoznacznego określenia jego treści. Jeżeli przyjmiemy, że istota badań systemowych wiąże się z poszukiwaniem czynników systemotwórczych (a nie charakterystyk obiektu systemowego) to byłoby rzeczą naturalną wydzielić spośród całej różnorodności sprzężeń takie, które można nazwać sprzężeniami systemotwórczymi, tj. sprzężeniami specyficznymi dla całości organicznych. Najbardziej reprezentatywny przykład takich sprzężeń stanowią, z naszego punktu widzenia, sprzężenia sterowania. Posługując się językiem cybernetyki, można je scharakteryzować jako sprzężenia oparte na określonym programie i stanowiące sposób realizacji tegoż programu. Wskazuje to na istnienie ogólnego schematu odpowiedniego procesu, który ma jednak w procesach rozwoju ograniczony zakres. Gdyby nie było takiego schematu, nie można byłoby mówić o prawach funkcjonowania lub rozwoju. Tym umownie nazwanym schematem jest system sterowania, a sprzężenia stanowią środki, za pomocą których system sterowania realizuje dany schemat. Zrozumienie istoty sprzężeń sterowania pozwala dostrzec jeszcze jedną cechę charakterystyczną systemów odnoszącą się tym razem do ich hierarchii. Otóż wewnętrzna hierarchia systemów jest taka, że zwykle podsystemy dowolnego poziomu można przedstawić w postaci bloków, sterowanych z zewnątrz, ponieważ powinny osiągnąć konkretny rezultat (ważny dla systemu nadrzędnego), mając przy tym swobodę wyboru sposobu realizacji. Zatem system będzie pracował niezawodnie, jeżeli właściwie zostaną zorganizowane podsystemy. Wszystko to sprawia, że sprzężenia sterowania są systemotwórcze. Strukturę systemu będziemy traktowali jako zbiór elementów i zbiór sprzężeń istniejących pomiędzy tymi elementami. Liczba elementów i sprzężeń decyduje o wielkości systemu i stopniu jego złożoności. Wielość sprzężeń, ich kierunki i przebiegi tworzą charakterystykę systemu. Analiza systemu ujmująca te sprzężenia, uwzględniająca owe kierunki i przebiegi, pozwala określić funkcje systemu. Jest to jednak zadanie złożone i trudne. Funkcję tę tworzą charakterystyki zmian stanów systemu. O stopniu złożoności niech świadczy fakt częstego stosowania w badaniach tzw. metody czarnej skrzynki, tzn. obserwowania zmiany stanów wyjść systemu następujących pod wpływem zmian stanów jego wejść, przy równoczesnym potraktowaniu jako swego rodzaju niewiadomej tego wszystkiego, co dzieje się w obrębie systemu. Dlatego też pod pojęciem funkcji systemu można rozumieć charakterystykę określającą zmiany stanów jego wyjść. Każdy system realizuje określone cele, a celem systemu nazywać będziemy pożądany stan wyjść, stąd funkcję określającą ten stan można nazwać funkcją celu systemu. Przedmiotem naszych zainteresowań będzie system energetyczny, który jest tworem sztucznym 8, skonstruowanym przez człowieka na podstawie mechaniki i cybernetyki. 8 Systemy sztuczne charakteryzują się między innymi: a) spójnością, polegającą na takim powiązaniu poszczególnych elementów systemu, że zmiana w którymkolwiek z nich może spowodować zmiany w pozostałych (system zachowuje się wówczas jako całość uwarunkowana wewnętrznie strukturą powiązań poszczególnych elementów; z cechy tej wynika szczególna rola struktury organizacyjnej systemu energetycznego), b) niezależnością (odwrotnością spójności) polegającą na tym, że zmiany w systemie są sumą indywidualnych zmian jego elementów, c) nietrwałością wynikającą ze sztucznego charakteru systemu, d) zgodnością, czyli dopasowaniem do danego otoczenia. 3

Ujednolicenie rozumienia podstawowych pojęć stosowanych w badaniach systemowych pozwala na praktyczne zastosowanie ich w badaniach określonych fragmentów rzeczywistości. Najważniejsze dla tych badań jest jednoznaczne określenie pojęcia systemu. Można sformułować pogląd, że u podstaw definicji systemu leży idea zbioru elementów i zbioru relacji między nimi. Przyjmujemy zatem, że system w znaczeniu formalnym jest to pewien układ elementów określonego zbioru, powiązanych relacjami ze sobą oraz z elementami, które do tego zbioru nie należą. Formalne pojęcie systemu może stanowić punkt wyjścia do konstrukcji różnych jakościowych jego ujęć, jak np. ekonomicznego, paliwowo-energetycznego, społecznego czy energetycznego. Stanowi on bowiem wzorzec, do którego wprowadzać można merytoryczne warunki, odpowiednie do specyficznych (jakościowych) cech i własności obiektów, istotnych dla danego pola badawczego lub dyscypliny. Zarówno w formalnych, jak i w jakościowych określeniach systemu 9, wyróżnić można wiele cech wspólnych, decydujących o podstawowych kryteriach jego wyodrębniania. Sprowadzają się one do stwierdzeń, iż system: - wyraża specyficzną jedność z otoczeniem, - jest zbiorem wzajemnie powiązanych elementów, - może być równocześnie elementem systemu wyższego rzędu, - element systemu może być równocześnie systemem niższego rzędu. System energetyczny tworzy zespół elementów (części składowych systemu) i relacji między nimi, a mianowicie: 10 1. do elementów tego systemu należą: - ludzie [L] wykonujący określone zadania, - środki produkcji [U], rozumiane jako: urządzenia, narzędzia, materiały itp. wykorzystywane przez ludzi w procesie wykonywania zadań, - zadania [Z] systemowe, - realizacja zadań [W] stanowiących cel istnienia i funkcjonowania systemu, 2. do relacji wewnętrznych [R] zaliczymy: - relacje zachodzące pomiędzy ludźmi i środkami produkcji [L i U] oraz pomiędzy [Z i W] - a także relacje pomiędzy zespołem środków tworzących warunki działania systemu [L + U], a zadaniami i wynikami ich działania [Z + W], 3. w skład relacji zewnętrznych, wyrażających powiązania systemu energetycznego z otoczeniem, wchodzą relacje: - wiążące potrzeby energetyczne otoczenia z zadaniami systemu energetycznego, - wiążące realizację zadań systemu energetycznego z zaspokajanymi potrzebami otoczenia, - wyrażające sterowanie systemem energetycznym przez nadsystem, - wyrażające wpływ systemu energetycznego na kształtowanie elementów otoczenia. 9 W. Bojarski, op. cit., s. 51. definiuje system następująco:...system jest tworzony przez stanowiący pewną całość, uporządkowany zbiór szczególnie dobranych czy wyróżnionych elementów i przez wyróżnienie współzależności między nimi. 10 Z. Mikołajewicz: Gospodarka energetyczna w systemie gospodarki narodowej, Wydawnictwo Instytutu Śląskiego w Opolu, Opole 1983, s. 12. 4

W. Bojarski 11, posługując się wcześniej zdefiniowanymi pojęciami systemu i elementu, podaje ogólną zasadę tworzenia systemu: system ze względu na daną relację R i jej własność W, tworzą te elementy, które spełniają relację R wykazującą własność W. Prościej można powiedzieć, że system jest tworzony przez zbiór elementów, które spełniają daną relację, mającą z góry zadaną własność. Relację w tym przypadku należy rozumieć jako współzależność między elementami systemu. Własnością W jest przynależność do danego fragmentu rzeczywistości oraz przyjęty poziom istotności relacji R. Przekroczenie tego poziomu powoduje, że dana relacja miedzy elementami jest istotna i wymaga uwzględnienia, a osiągnięcie niższego poziomu wskazuje, że należy ją pominąć. Pomija się wówczas i te elementy, które nie spełniają relacji R na wymaganym poziomie istotności. Zachodzenie relacji R jest zależne od rodzaju i stanu poszczególnych elementów i ich otoczenia ( tym samym od ułożenia i uporządkowania elementów w systemie), czyli od określonych cech r (wewnętrznych i zewnętrznych) poszczególnych elementów. System powinien obejmować tylko te elementy, które spełniają zasadę jego tworzenia. Takie określenie systemu, przy zadanej relacji i własności, pozwala odróżnić system od zbioru, który nie jest systemem. Pozwala również stwierdzić, czy określony element należy do danego systemu, czy też nie. Spełnianie tej samej relacji przez wszystkie elementy systemu decyduje o spójności i integralności systemu. Powyższa zasada tworzenia systemu nie precyzuje ani istoty elementów w systemie, ani wiążących je relacji, odnosi się więc do dowolnego systemu, czyli do tzw. systemu ogólnego. Złożoną rzeczywistość można przedstawić korzystając z metodologii systemowej poprzez: 12 - wyróżnienie szczególnie interesującego nas fragmentu rzeczywistości i pominięcie wszystkich innych fragmentów, nie spełniających istotnej roli oraz zaliczenie do otoczenia fragmentów, nieistotnych lub drugorzędnych, - rozpatrywanie wyróżnionego fragmentu rzeczywistości jako całości złożonej z mniejszych, jakościowo zróżnicowanych elementów, mniej lub bardziej istotnych, - dostrzeganie, powiązań różnych elementów tworzących pewną zorganizowaną całość (system) lub pewne zorganizowane grupy (podsystemy) jeszcze mniejszych elementów, - zauważenie związków przedmiotu zainteresowań będącego częścią nadsystemu z innymi przedmiotami w otoczeniu, - sprecyzowanie problemu dotyczącego rozpatrywanej rzeczywistości i określenie rodzaju relacji R do wykreowania interesującego nas systemu, - wyróżnienie z rzeczywistości jedynie podsystemów i elementów istotnych ze względu na relację R, a pominięcie pozostałych lub włączenie ich do otoczenia, - agregowanie liczniejszych elementów w podsystemy oraz zastępowanie całych zbiorów (podobnych rodzajowo lub funkcjonalnie) elementów jednym elementem zastępczym (podsystemem) charakteryzowanym średnimi cechami elementów zbioru. W ten sposób utworzony i zweryfikowany system jest pewnym modelem rzeczywistości, przydatnym ze względu na relacje R do analizy interesującego problemu. 11 Efektywność systemowa przedsięwzięć gospodarczych, Wyższa Szkoła Zarządzania i Przedsiębiorczości im. Bogdana Jańskiego, Warszawa 2001, s. 52. 12 Op. cit., s. 53. 5

Tak sformułowany system energetyczny stanowi swego rodzaju model 13 określający w sposób całościowy problematykę badań systemowych danego fragmentu rzeczywistości gospodarczej. Obejmuje ona badania dotyczące: - czynników warunkujących funkcjonowanie systemu, - zadań systemu i osiąganych wyników; - wzajemnych oddziaływań systemu energetycznego i jego otoczenia. W analizie zagadnień związanych z produkcją i użytkowaniem energii ważne i konieczne jest ujęcie technologiczne systemu. 14 Według Durlika 15 w działaniu każdego systemu produkcyjnego (w tym energetycznego) można wyróżnić następujące najważniejsze części składowe: wejście, proces wewnątrzsystemowego przetwarzania, wyjście. System produkcyjny określa on, jako układ elementów składowych i relacji między nimi oraz relacji przekształceń czynników wejścia do systemu na czynniki wyjścia. Stanowi on celowo zaprojektowany i zorganizowany układ materialny, energetyczny i informatyczny eksploatowany przez człowieka i służący wytwarzaniu określonych produktów (wyrobów lub usług) w celu zaspokojenia różnorodnych potrzeb konsumentów. Podstawowy cel systemu związany z dostarczaniem odbiorcom potrzebnej ilości energii użytecznej, realizowany jest poprzez przetwarzanie innych form energii pozyskiwanej z otoczenia (wejście systemu) w energię bezpośrednią (wyjście systemu). Nośniki energii wykorzystywane w procesie technologicznym to elementy zasilania systemu. W tak przedstawionym systemie energetycznym możemy wyróżnić następujące elementy: - wejście, z wchodzącymi w jego skład nośnikami energii pierwotnej, - wyjście, z energią bezpośrednią, a także szkodliwymi odpadami produkcyjnymi zanieczyszczającymi środowisko, - procesy przetwarzania wejścia na wyjście, czyli procesy konwersji, - procesy zarządzania systemem (planowanie, organizowanie, sterowanie, motywowanie, kontrola), - sprzężenia materiałowe, energetyczne i informacyjne pomiędzy wyżej wymienionymi elementami składowymi systemu energetycznego. Ujęcie technologiczne systemu energetycznego okazuje się niewystarczające przy badaniu szerokiego spektrum zagadnień związanego, na przykład z badaniem wpływu systemu energetycznego na gospodarkę, na sytuację gospodarstw domowych czy na wielkość emisji zanieczyszczeń i jakość środowiska. Uzasadnia to więc próby wprowadzenia szerszej definicji tego systemu. Można ją sformułować następująco: System energetyczny może być traktowany jako całokształt rzeczy i procesów, za pomocą których społeczeństwo przekształca zasoby 13 Model rozumiany jest jako odwzorowanie określonego fragmentu rzeczywistości. Samo wydzielenie systemu jest także procesem modelowania, a system jest modelem pewnego fragmentu rzeczywistości. Ogólne pojęcie model można scharakteryzować następująco: Model jest to przedstawienie systemu, elementu tego systemu, procesu, pojęcia lub idei w formie różnej od rzeczywistego istnienia. Zob. M. Cichy: Modelowanie systemów energetycznych, Wyd. Politechniki Gdańskiej 2001, s. 7. Model jest zawsze uproszczonym przedstawieniem rzeczywistości. Stopień uproszczenia oraz wybór cech rzeczywistości, odwzorowywanych w modelu, zależą od celu, dla którego jest on tworzony. 14 M. Cichy w pracy: Modelowanie op. cit. s. 36, przyjmuje, iż pod pojęciem system energetyczny rozumie się wyodrębnione z otoczenia urządzenie lub zestaw urządzeń współdziałających energetycznie i sygnałowo. Do systemu jest doprowadzona energia przetwarzana przez system na energię użyteczną, zgodnie z przeznaczeniem systemu. Pomiędzy systemem energetycznym, a otoczeniem mogą istnieć oddziaływania fizyczne i sygnałowe. 15 I. Durlik: Inżynieria zarządzania. Strategia i projektowanie systemów produkcyjnych,. Agencja Wydawnicza Placet, Warszawa 2000, s. 33 i dalsze. 6

naturalne w produkty i usługi energetyczne. System energetyczny składa się z infrastruktury, technologii i nośników energii z jednej strony oraz podmiotów (aktorów) takich jak instytucje, przedsiębiorstwa i inni uczestnicy po drugiej stronie. Powyższa definicja znacznie poszerza zakres zagadnień, występujących w obszarze tak zdefiniowanego systemu energetycznego. Obok zagadnień technicznych, ekonomicznych i ekologicznych pojawiają się kwestie instytucjonalne, własnościowe, organizacji rynku oraz aspekt społeczny. Tak zdefiniowany system energetyczny chociaż trudniejszy do zbadania, daje pełniejszy jego obraz z ograniczoną możliwością skwantyfikowania występujących w systemie relacji. 7