Ryszard Wilk Sławomir Sładek Politechnika Śląska Dwutlenek węgla a zmiany klimatyczne Streszczenie W referacie przedstawiono w skrócie główne kierunki polityki energetycznej Unii Europejskiej. Ukierunkowanie na walkę z globalnym ociepleniem poprzez redukcję emisji CO 2 budzi wiele zastrzeżeń. Zaprezentowano argumenty kwestionujące dominujący wpływ antropogenicznej emisji dwutlenku węgla na zmiany klimatyczne. Wyniki przeprowadzonych obliczeń wskazują na nieznaczny wpływ zmian stężenia CO 2 na temperaturę Ziemi. 1. Wstęp Polityka energetyczna Unii Europejskiej jest prowadzona w oparciu o tezę, że obecne zmiany klimatyczne są efektem m.in. antropogenicznej emisji dwutlenku węgla. Przeświadczenie to wynika z raportów IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), międzynarodowego zespołu działającego przy ONZ, który został utworzony w celu badań nad zmianami klimatycznymi. Główne cele pakietu klimatyczno-energetycznego to: przeciwdziałanie zmianom klimatycznym, ograniczenie uzależnienia od importu paliw węglowodorowych (czyli w praktyce propagowanie odnawialnych źródeł energii) oraz zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego. Przyjęto, że osiągnięcie tych celów będzie wymagać wspólnego i solidarnego działania poszczególnych państw Unii Europejskiej. W celu realizacji tych działań sformułowany został tzw. pakiet 3x20, który zakłada redukcję emisji CO 2 o 20%, zmniejszenie energochłonności o 20% i osiągnięcie 20% udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym do 2020 roku. Realizacja tych celów wymaga istotnych zmian w polityce energetycznej. [4] W referacie przedstawiono argumenty kwestionujące walkę z ocieplaniem klimatu poprzez zmniejszenie antropogenicznej emisji dwutlenku węgla. Zwrócono także uwagę na konieczność rozwijania technologii pozwalających oszczędzać paliwa kopalne. 2. System handlu emisjami Unii Europejskiej (Emission Trading System ETS) W celu wymuszenia ograniczania emisji CO 2 został wprowadzony system handlu uprawnieniami do emisji. Określona została maksymalna masa CO 2 jaką może wyemitować każdy kraj UE; limity krajowe rozdzielone są na poszczególne zakłady. Program ETS obejmuje instalacje o mocy powyżej 35 MW i emitujące ponad 25 tys. Mg CO 2 rocznie. Jeśli dane przedsiębiorstwo przekroczy swój limit musi wykupić dodatkowe uprawnienia do emisji, natomiast niewykorzystane pakiety można sprzedać. Koszty wykupienia uprawnień mają być na tyle duże, aby opłacało się inwestować w technologie niskoemisyjne. Po roku 2013 handel uprawnieniami w całości będzie się odbywał na zasadzie aukcjoningu. Z każdym rokiem ilość przyznanych nieodpłatnych uprawnień będzie maleć, tak aby w 2020 r. wszystkie uprawnienia były nabywane w poprzez aukcje. [4] Taka polityka energetyczna wymusza wprowadzanie technologii sekwestracji CO 2, ponieważ zwiększanie sprawności wytwarzania energii będzie niewystarczające aby spełnić narzucone limity. Najszybszym, ale niekoniecznie najtańszym do zastosowania sposobem jest wychwytywanie i składowanie CO 2 np. w wyczerpanych złożach ropy naftowej i gazu lub w wyrobiskach kopalnianych. Technologia ta budzi jednak spore wątpliwości. Zastosowanie 1
sekwestracji w obecnych instalacjach energetycznych spowoduje spadek ich sprawności o kilka procent, co jest sprzeczne ze światowymi trendami i inżynierskim rozsądkiem. Wypełnione dwutlenkiem węgla składowiska będą wymagać ciągłej kontroli przez cały okres ich użytkowania a jednocześnie brakuje wiedzy na temat długofalowych skutków składowania CO 2. Skutki wycieku dwutlenku węgla ze złóż mogły by być tragiczne. Konieczność inwestowania w instalacje wychwytywania CO 2 może zablokować budowę nowych wysokosprawnych bloków energetycznych. W najbliższych latach można się spodziewać znacznych wzrostów cen energii elektrycznej. 3. Wątpliwości co do argumentów IPCC Autorzy raportów wydawanych przez IPCC głoszą jednoznacznie, że za wzrost średniej temperatury na Ziemi odpowiada antropogeniczna emisja dwutlenku węgla. Jednak ta teza ma coraz to więcej przeciwników. Na rys. 1 przedstawiono wykres zmian średniej temperatury Ziemi i stężenia CO 2 w powietrzu w ostatnich dziesięcioleciach. Temperatura odniesienia na wykresie jest średnią temperaturą powierzchni Ziemi w latach 1951-1980 i wynosi 14 C (287,15 K) [7]. Porównując dane można zauważyć ciągły i w przybliżeniu stały wzrost koncentracji dwutlenku węgla. Natomiast zmiany temperatury są nieregularne, gdyż występują okresy wzrostu i okresy spadku temperatury. W ciągu ostatnich trzydziestu lat średnia temperatura wzrosła o około 0,3 C, ale w ostatnim dziesięcioleciu średni przyrost jest bliski zeru mimo ciągłego wzrostu stężenia CO 2. Jedyny związek jaki można zauważyć, to że po każdej zmianie temperatury (wzrost lub spadek) następuje niewielka zmiana stężenia CO 2. Tak więc wniosek, że wzrost stężenia dwutlenku węgla jest spowodowany działalnością człowieka jest nieuprawniony, gdyż przebiegi zmian stężenia CO 2 i temperatury nie zawsze zgadzają się za sobą (spadki temperatury pomimo ciągłego wzrostu stężenia CO 2 ). Można dostrzec, że wahania temperatury pociągają za sobą zmiany koncentracji CO 2 a nie odwrotnie. Wynika to z faktu, że roztwór dwutlenku węgla w wodach oceanicznych dąży ciągle do stanu nasycenia wzrost temperatury oceanów powoduje wydzielenie nadmiaru CO 2 do atmosfery natomiast spadek temperatury skutkuje jego pochłanianiem [2]. W oceanach rozpuszczone jest około 60 razy więcej CO 2 niż w atmosferze. Z analiz wynika, że około 5% całkowitej emisji dwutlenku węgla pochodzi z działalności człowieka a reszta jest wynikiem naturalnych procesów (np. metabolizm organizmów, oceany, pożary lasów) [2]. Nie uprawniona jest teza, że wzrost średniej temperatury Ziemi jest jednoznacznie wynikiem wzrostu emisji CO 2 ze spalania paliw. 2
Rys.1. Zmiany temperatury w oparciu o pomiary satelitarne i zmiany stężenia CO 2 z bezpośrednich pomiarów [8][9] Spore wątpliwości budzą także wyniki badań rdzeni lodowych, na podstawie których IPCC określa zmiany stężenia dwutlenku węgla w poprzednich wiekach. Badania te prowadzono przy założeniu, że w lodzie polarnym nie występuje woda w stanie płynnym. Jest to założenie błędne a ma znaczny wpływ na wyniki, ponieważ znaczna część dwutlenku węgla jest rozpuszczona w wodzie. Ocenia się, że przez to pominięcie wyniki badań mogą być zaniżone nawet o kilkadziesiąt procent. Pojawiają się także informacje o nierzetelnym i wybiórczym dobieraniu wyników pomiaru stężenia CO 2 tak aby pasowały do przyjętych tez [2]. Z analizy rdzeni lodowych określono również zmiany temperatury jakie następowały w ciągu ostatnich kilkuset tysięcy lat. Z badań tych wynika, że klimat w tym czasie zmieniał się wielokrotnie w okresach o długości kilkudziesięciu tysięcy lat. Zmiany następowały również w krótszych okresach o długości kilkunastu tysięcy lat. W ciągu ostatnich dwóch tysięcy lat można także wyróżnić okresy podwyższonej temperatury w IX oraz XIII wieku oraz ochłodzenie w czasie od XIII do XIX wieku zwane małą epoką lodową. Obecnie znajdujemy się w ciepłym okresie. [4] 4. Badania własne wpływu CO 2 na średnią temperaturę Przeprowadzono obliczenia bezpośredniego wpływu zmian stężenia dwutlenku węgla w atmosferze na temperaturę Ziemi wykorzystując model matematyczny oparty o bilans energetyczny Ziemi, który przedstawiono na rys. 2. Absorpcja i emisja promieniowania przez gazy cieplarniane (H 2 O, CO 2, CH 4 i inne gazy trój i więcej atomowe) ma charakter pasmowy, w obliczeniach wykorzystano model pasm szerokich Edwardsa-Balakrishnana [3]. Przepuszczalność warstwy CO 2 dla promieniowania słonecznego i ziemskiego zależy od jego stężenia i temperatury. Jeśli gazy cieplarniane zawarte w atmosferze pochłaniają więcej promieniowania emitowanego przez powierzchnię Ziemi to średnia temperatura rośnie ponieważ następuje tzw. efekt szklarniowy. Założono, że woda występuje w atmosferze tylko w postaci pary wodnej. [5] 3
Model ten pozwala określać jedynie bezpośredni wpływ stężenia CO 2 i H 2 O na temperaturę Ziemi i atmosfery, nie uwzględnia zjawisk sprzężeń zwrotnych występujących w klimacie ziemskim czy wpływu zmienności zachmurzenia. Rys. 2. Bilans energetyczny Ziemi i atmosfery [5] Na rys. 3 przedstawiono wyniki obliczeń wpływu zmian stężenia CO 2 i H 2 O na zmiany średniej temperatury Ziemi Δt z, gdzie punktem odniesienia jest temperatura przy stężeniu CO 2 równym 370 ppm (0,037%) i stężeniu H 2 O równym 2%. Z obliczeń tych wynika, że wpływ zmian stężenia dwutlenku węgla jest niewielki. Zdecydowanie większe znaczenie ma para wodna, która także jest gazem cieplarnianym. Pasmo, w którym CO 2 absorbuje promieniowanie emitowane przez powierzchnię Ziemi pokrywa się w znacznym stopniu z pasmem absorpcji pary wodnej. Para wodna występuje w atmosferze w stężeniu 1-2%, natomiast stężenie CO 2 to tylko około 0,04%. Dlatego stężenie pary wodnej ma decydujący wpływ na efekt cieplarniany. Zakładając nawet, że obliczenia dały by wyniki z błędem rzędu 100% to i tak wpływ CO 2 nadal pozostaje niewielki. [5] Rys. 3. Obliczony wpływ zmian stężenia CO 2 i H 2 O na zmiany temperatury Ziemi [5] Jak wcześniej wspomniano przyjmuje się powszechnie, że tylko około 5% całkowitej emisji CO 2 pochodzi z emisji antropogenicznej. Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że udział CO 2 w efekcie cieplarnianym wynosi tylko kilka procent. Tak więc wpływ emisji CO 2 pochodzącej z działalności człowieka na przyrost temperatury Ziemi jest bardzo nieznaczny. 4
5. Wpływ Słońca na klimat Najprawdopodobniej głównym powodem zmian temperatury na Ziemi jest Słońce. Długookresowe zmiany klimatu mogą być powodowane zmianami kształtu orbity Ziemi, nachyleniem jej osi obrotu oraz precesją osi [2]. Zmiany krótkookresowe mogą zaś wynikać ze zmian aktywności, której miarą jest ilość plam słonecznych. Odkryto, że pole magnetyczne Słońca zmienia się wraz z ilością takich plam, a te z kolei wpływa na natężenie promieniowania kosmicznego docierającego do Ziemi. Promieniowanie to docierając do atmosfery powoduje skraplanie się wody i powstawanie chmur, które odbijają promienie słoneczne. Jeśli ilość plam na Słońcu rośnie to obniża się średnie zachmurzenie na Ziemi i odwrotnie gdy plam jest mniej powstaje więcej chmur, które odbijają promieniowanie słoneczne. [1] 6. Podsumowanie Wiele wskazuje na to, że ewentualne ogromne wydatki poniesione na rzecz walki z globalnym ociepleniem nie przyniosą żadnego skutku, ponieważ wpływ antropogenicznej emisji CO 2 na klimat jest bardzo niewielki. Natomiast taka polityka UE doprowadzi do znacznych wzrostów cen energii elektrycznej i zahamowania wzrostu gospodarczego. O wiele ważniejsze jest obecnie zwiększanie efektywności wytwarzania energii. Takie działanie ma na celu oszczędzanie paliw pierwotnych, których zapasy szybko się kurczą, ale także zmniejszanie emisji substancji szkodliwych do atmosfery, także CO 2. Około 90% wytwarzanej energii pierwotnej uzyskiwana jest w drodze spalania paliw kopalnych. Uważa się, że przy obecnym zużyciu udokumentowane rezerwy ropy naftowej wystarczą na około 50 lat, gazu na 60 lat, zasoby węgla kamiennego w Polsce wystarczą nam na około 180 lat [6]. Ważne jest racjonalne rozporządzanie dostępnymi zasobami paliw aby nie doprowadzić do ich deficytu zanim wprowadzone zostaną na masową skalę alternatywne technologie pozyskiwania energii. Literatura: [1] Jaworowski Z.: Idzie Zimno!, http://www.polityka.pl/nauka/251186,1,idziezimno.read, 08.04.2008 r. [2] Jędral W.: Wpływ antropogenicznej emisji CO 2 na zmiany klimatyczne Ziemi, Archiwum Spalania nr 1-2 2009 [3] Kostowski E.: Przepływ ciepła, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2006 r. [4] Miłek M.: Problemy z pakietem klimatyczno-energetycznym, wydawnictwo PWSZ, Sulechów 2009 r. [5] Sładek S.: Wpływ stężenia dwutlenku węgla w atmosferze na zmiany klimatyczne, praca dyplomowa magisterska, Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, Gliwice, 2009 r. [6] Wilk R.: Charakterystyka paliw gazowych, ciekłych i stałych, materiał autorski, maszynopis, Gliwice, 2009 r. [7] Dane z bezpośrednich pomiarów średniej temperatury Ziemi ośrodka GISS (Goddard Institute for Space Studies), http://data.giss.nasa.gov/gistemp/tabledata/glb.ts+dsst.txt [8] Universuty of Alabama in Huntsville, dane z satelitarnych pomiarów średniej temperatury powierzchni Ziemi, http://vortex.nsstc.uah.edu/data/msu/t2lt/uahncdc.lt [9] Dane pomiarowe stężenia CO 2 w powietrzu ze stacji Manua Loa, Hawaje, ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_mm_mlo.txt 5