Mojej Żonie Magdalenie

Wstęp – Energia, czyli wszystko

„Snując się, niezmiernie radzi z siebie,
po naszym globie, szczerze jesteśmy
przekonani o swej władzy nad materią”.

Herbert George Wells, Wojna światów

W czasie mojej pracy dziennikarskiej kilkakrotnie zetknąłem się z pytaniem: „Skąd wzięło się u ciebie zainteresowanie energetyką?”. Słysząc je, wracam myślami do momentu, w którym po raz pierwszy przeczytałem książkę Wojna światów brytyjskiego pisarza Herberta George’a Wellsa. To właśnie ta opublikowana w 1898 roku powieść rozbudziła we mnie fascynację energią – ale nie dlatego, że energetyka była jej ważnym elementem; wręcz przeciwnie. W tej wciągającej lekturze Wells zarysował wizję ataku Marsjan na Ziemię. Przybysze z Czerwonej Planety docierają do Anglii w wystrzelonych z powierzchni Marsa cylindrycznych pojazdach, a następnie konstruują potężne machiny wojenne w formie olbrzymich trójnogów uzbrojonych w tak zwany snop gorąca – coś w rodzaju śmiercionośnego lasera. Za pomocą tych urządzeń kosmici łamią opór brytyjskiej armii i maszerują na Londyn, aby rzucić na kolana największe ówczesne imperium. Opowieść tak bardzo mną poruszyła, że długie godziny mojego dzieciństwa poświęciłem na rozmyślanie o różnych aspektach inwazji Marsjan. I podczas takich rozważań zadałem sobie pytanie: „Jak oni zasilali te wszystkie maszyny?”. Szukając odpowiedzi, zacząłem analizować znane człowiekowi sposoby pozyskiwania różnych rodzajów energii; uczyłem się o poszczególnych źródłach i technologiach, o korzyściach z nich płynących i problemach z nimi związanych, następnie czytałem o perspektywach rewolucji energetycznej. W taki oto sposób stworzona przez Wellsa fikcja stała się przyczynkiem do rozbudzenia zainteresowania czy wręcz rozwoju autentycznej pasji, którą realizuję do dziś. Energia (oraz związane z nią systemy i technologie) to prawdziwie fascynująca sfera – zachwyca tym, jak głęboko przenika wszystkie nasze codzienne aktywności. Można pokusić się także o stwierdzenie, że to właśnie energia nadaje światu taki czy inny sens: ten sam pocisk pistoletu może być całkowicie niegroźnym kawałkiem metalu lub śmiercionośnym narzędziem – wszystko zależy od energii, którą mu nadamy. Nie bez powodu bogowie Olimpu tak surowo ukarali Prometeusza, który skradł im ogień, żeby dać go ludziom. Była to de facto kradzież potężnego sekretu – tajemnicy energii oraz jej wykorzystania.

W niniejszej książce będę się starał dokładnie wyjaśnić, czemu świat energii jest tak zachwycający. Wytłumaczę, czym jest energia i jak człowiek nauczył się z niej korzystać. Opiszę podstawowe prawa, które tworzą granice energetycznego królestwa. Pokażę również, jak ludzkość zbudowała wokół energii potężną maszynerię polityczno -gospodarczą, która z jednej strony wydobyła miliardy osób z nędzy, a z drugiej – zdewastowała system klimatyczny naszej planety. Będzie to także opowieść o swoistej kulturze, która wyewoluowała wokół energii – i cały czas się rozwija. Patrząc na współczesny świat, można się zastanowić, kto bardziej wpłynął na kształt rzeczywistości: człowiek czy źródła energii, z których korzysta.

Dlaczego powstała ta książka, zdradzę w zakończeniu; teraz napiszę jedynie, że powinna ona być traktowana jako coś w rodzaju przystępniejszego podręcznika, który wyposaży odbiorcę w najważniejszą wiedzę dotyczącą funkcjonowania sektora energetycznego. Pewne rzeczy zostaną tu przedstawione w sposób uproszczony, za co z góry przepraszam specjalistów zajmujących się tą dziedziną. Nie jest to jednak książka skierowana do nich, tylko do znacznie szerszego grona czytelników. Natomiast w ramach rekompensaty wszędzie tam, gdzie poszedłem nieco na skróty, zostawiam przypisy odsyłające do innych pozycji, którymi posiłkowałem się przy pracy nad niniejszą publikacją, a które w znacznie szerszym zakresie omawiają określone zagadnienia.

Pozostałym czytelnikom również polecam zaglądanie do przypisów, gdzie znajdują się nie tylko odniesienia do lektur dodatkowych, ale też dłuższe omówienia wybranych kwestii, które – dla jasności wywodu – zdecydowałem się wyjąć z tekstu głównego.

Mam nadzieję, że książka ta spełni pokładane w niej nadzieje – stanie się jednym z kamieni milowych na drodze do diametralnej poprawy świadomości energetycznej w Polsce oraz do materialnej zmiany w polskim sektorze energetycznym.

Czym jest energia?

Częstym podczas spotkań z czytelnikami pytam: „Czy wiecie, ile płacicie za kilowatogodzinę?”. Dla lepszego efektu pytanie to poprzedzam krótką rozmową o cenach podstawowych produktów spożywczych, podczas której wiele osób z widowni wylicza z dokładnością co do grosza, ile zapłaciło za butelkę wody, paczkę czipsów czy batonika. Jednakże tylko nieliczne znają dokładne stawki za kilowatogodzinę. Dosłownie pojedyncze osoby potrafią podać cenę energii elektrycznej – a przecież jest ona takim samym towarem jak butelka wody. Mało tego: współczesny mieszkaniec Polski zużywa dziennie znacznie więcej kilowatogodzin niż butelek wody. Dlaczego zatem wielu nie ma podstawowego rozeznania w zakresie energetyki? Nie chodzi tu już nawet o sam koszt kilowatogodziny – społeczna świadomość nie obejmuje kluczowych aspektów dotyczących funkcjonowania systemu energetycznego. Ludzie nie wiedzą, skąd bierze się energia elektryczna, która zasila ich domy czy mieszkania, ani jak wytwarzane jest ciepło, które ogrzewa w nich kaloryfery. Nie potrafią odpowiedzieć na pytanie, ile gazu zużywa się w ich kraju ani gdzie wydobywa ropę naftową, która służy do produkcji paliw spalanych w silnikach ich samochodów. Brak wiedzy i świadomości w zakresie energetyki to jednak nie tylko przyczynek do dyskusji o poziomie szkolnictwa czy potencjalny kłopot podczas rozwiązywania krzyżówki lub w trakcie seansu teleturnieju. To także istotna luka w procesie decyzyjnym, zwłaszcza zaś na płaszczyźnie decyzji politycznych. Jeśli nie uświadamiamy sobie istnienia określonego ryzyka, nie jesteśmy w stanie podejmować działań ukierunkowanych na jego ograniczenie ani – co jeszcze istotniejsze – na wyeliminowanie go. Jestem zdania, że gdyby od kilkunastu lat budowano powszechniejszą pogłębioną świadomość dotycząca kwestii energetycznych, dałoby się uniknąć wielu aktualnych problemów Polski. Jako społeczeństwo bylibyśmy bowiem w stanie wywrzeć wcześniej odpowiednio mocną presję na politykach, żeby przymusić ich do wdrożenia i realizowania programu transformacji energetycznej i transportowej, przez co ogromne ciężary spowodowane unijną polityką klimatyczną byłyby lżejsze lub nie byłoby ich wcale.

Niestety, Polska jest najbardziej zapóźnionym pod względem transformacji energetycznej krajem Unii Europejskiej (UE). Udział węgla w polskim miksie generacyjnym energii elektrycznej sięga 70%, co jest najgorszym wynikiem spośród wszystkich 27 państw członkowskich UE. Dla porównania, w Czechach wskaźnik ten wyniósł w 2022 roku 42%, w Rumunii 19%, a na Węgrzech 9%. Intensywność emisji z polskiej elektroenergetyki wynosi około 750 gramów dwutlenku węgla (CO_2) na kilowatogodzinę, co jest niemal trzykrotnością średniej unijnej. Innymi słowy, żeby wygenerować 1 kWh w polskim systemie energetycznym, trzeba wyrzucić do atmosfery 750 gramów CO_2. We Francji emisja zmniejsza się czasami do 18 gramów, przy średniej rocznej wynoszącej około 60 g/kWh. UE (ale też na przykład USA czy Chiny) zamierza coraz bardziej zaostrzać politykę klimatyczną (i stosować kary finansowe za emitowanie gazów cieplarnianych do atmosfery), a jej sensem jest budowa nowego paradygmatu gospodarczego, który będzie określał i uwzględniał koszty emisji w rachunku ekonomicznym. Tymczasem energetyka w naszym kraju opiera się na elektrowniach budowanych za czasów Edwarda Gierka. Co więcej, aż 70bloków węglowych powinno być już wyłączonych i zastąpionych nowymi mocami, gdyż urządzenia te dobiły do granic swojego okresu projektowego (średnia wieku polskich jednostek wytwórczych zasilanych węglem wynosi około 50 lat). Polska emituje bardzo dużo dwutlenku węgla jak na „rozmiary” swojej gospodarki (między innymi dlatego ta staje się coraz mniej konkurencyjna), a my sami mamy coraz wyższe rachunki za energię, które będą nadal ulegać podwyższeniu dopóty, dopóki nasza energetyka będzie wysoce intensywna emisyjnie. Tego wszystkiego można było uniknąć, gdyby odpowiednio wcześnie podjęto szeroko zakrojone działania transformacyjne. Tak się jednak nie stało, bo potocznie mówiąc, zabrakło świadomości. Książka ta ma za zadanie zmienić ten stan rzeczy. Po jej przeczytaniu czytelnik powinien orientować się w zawiłościach polskiej, europejskiej i światowej energetyki.

Żeby to zrobić, należy zacząć od uporządkowania pewnych podstawowych terminów. Można zacząć od kluczowego pytania: „Czym w zasadzie jest energia?”. Sięgając po język fizyki, należy odpowiedzieć, że jest to wielkość fizyczna, którą dysponuje dane ciało, a która wyraża jego zdolność do wykonania pracy. Istnieje wiele różnych rodzajów energii. Na przykład, gdy człowiek kopie piłkę, to energia ruchu jego nogi przekazywana jest na piłkę, sprawiając, że ta się porusza. Ten rodzaj energii nazywany jest energią kinetyczną. Z kolei kamień umieszczony w komorze napiętej procy będzie dysponował określoną energią potencjalną, czyli taką, która wynika z jego położenia lub stanu. Energia może też przybierać różne formy. Występuje na przykład w postaci ciepła, dźwięku, prądu elektrycznego i reakcji chemicznych. W dalszych rozdziałach omówię te rodzaje i formy energii, które człowiek wykorzystuje na co dzień w swojej gospodarce.

Na stronach niniejszej publikacji przewijać będzie się kilka terminów, które brzmią podobnie, ale nie oznaczają tego samego. Kiedy w tekście pojawi się określenie „energia”, to będzie ono oznaczać wielkość fizyczną, przybierającą różne postaci (na przykład energii cieplnej, energii kinetycznej, energii świetlnej). Z kolei słowo „energetyka” określa gałąź nauki i gospodarki, zajmującą się takimi sposobami przetwarzania energii, które umożliwiają skorzystanie z niej człowiekowi. Można obrazowo powiedzieć, że energia jest źródłem, które chce uregulować i wykorzystać do swoich potrzeb energetyka. Z energetyki zostanie wyodrębniona elektroenergetyka, czyli sektor zajmujący się wytwarzaniem, przesyłaniem, dystrybuowaniem oraz magazynowaniem energii elektrycznej.

Książka ta, skierowana do szerokiej grupy odbiorców, posługuje się aparatem pojęciowym i wiedzą z dziedziny fizyki na dość podstawowym poziomie, a jej zawiłości przedstawia w opisowy, nieco uproszczony sposób. Takie podejście ma ułatwić zrozumienie wywodu tym czytelnikom, którzy na nauki ścisłe patrzą z niechęcią. Niemniej jednak aby zorientować się i poruszać w świecie energii, należy przyswoić pewne kluczowe jednostki. Podstawową jednostką energetyczną w fizyce jest dżul (J). Oznacza on pracę wykonaną przez siłę o wartości 1 niutona (N)1 przy przesunięciu punktu przyłożenia siły o 1 metr w kierunku równoległym do działania tejże siły. Opis ten może się wydać dość złożony, ale zobrazuje go przykład podany przez Vaclava Smila w książce Energy. A Beginner’s Guide: podniesienie z podłogi pomarańczy ważącej 0,1 kg i umieszczenie jej na poziomie 1 metra nad ziemią to wydatek energetyczny odpowiadający jednemu dżulowi (J). Inną jednostką odnoszącą się do energii jest kaloria (cal), która historycznie oznaczała ilość ciepła potrzebną do ogrzania 1 grama (g) wody o 1 stopień Celsjusza – 1 kaloria to około 4,185 dżula, natomiast na kartach niniejszej książki kaloria (ani też znacznie popularniejsza kilokaloria: kcal) nie będzie się pojawiać. Pojawi się natomiast równa 1 dżulowi watosekunda (1 dżul to praca 1 wata, czyli jednostki mocy, przez 1 sekundę) oraz jej wielokrotności, na przykład kilowatogodzina (kWh). Żeby zrozumieć, co one oznaczają, trzeba wyjaśnić pojęcie mocy.

Na potrzeby niniejszej publikacji można przyjąć, że moc – której jednostką jest wat (W) – to miara możliwości zamiany jednego rodzaju energii w drugi. W dyskusjach o energetyce używa się często określenia „moc zainstalowana”, co odnosi się do maksymalnej dostępnej możliwości, z jaką może generować lub pobierać energię dane urządzenie. Jak wspomniałem, wartość tę wyraża się w watach oraz jego wielokrotnościach: kilowatach (kW), megawatach (MW) i gigawatach (GW). Przykładowo, typowa przydomowa instalacja fotowoltaiczna dysponuje mocą 3,5 kW, a reaktor jądrowy trzeciej generacji mocą około 1–1,5 GW. Jednakże sama moc nie wystarczy do określenia, ile energii wytworzono. Żeby to policzyć, trzeba wiedzieć, przez jaki czas dana moc generowała energię. Dla przykładu, elektrownia o mocy 1 GW pracująca z pełną mocą wyprodukuje w ciągu 60 minut 1 gigawatogodzinę (GWh) energii elektrycznej. Jednakże sytuacje, w których dana jednostka wytwórcza wykorzystuje pełnię swojej mocy, należą do rzadkości. Dla przykładu, zależne od pogody źródła odnawialne, takie jak turbiny wiatrowe czy panele fotowoltaiczne pracują tylko wtedy, kiedy są ku temu odpowiednie warunki atmosferyczne. Z kolei elektrownie jądrowe muszą co jakiś czas przerywać pracę, żeby do reaktora zostały załadowane nowe pręty paliwowe. Aby lepiej orientować się w realnych możliwościach pracy danego źródła, branża energetyczna stworzyła wskaźnik pozwalający to szybko zobrazować. Chodzi o tak zwany współczynnik wykorzystania mocy (ang. capacity factor). Oblicza się go, dzieląc liczbę jednostek energii wygenerowanej dzięki danemu źródłu przez możliwość maksymalnego uzysku w danym czasie – najczęściej, dla łatwego rachunku, przyjmuje się tu skalę roczną, zaokrąglając liczbę godzin w ciągu roku do 8800. Jeśli na przykład dane źródło o mocy 1 MW wygenerowało w ciągu roku 880 MWh energii, to jego współczynnik wykorzystania mocy wyniósł 10% (bo maksymalnie mogło wygenerować 8800 MWh). Poszczególne źródła energii charakteryzują się zróżnicowanym współczynnikiem wykorzystania swojej mocy. Patrząc na dane z USA, widać, że wskaźnik ten jest najwyższy w energetyce jądrowej (92,7%), a najniższy – w fotowoltaice (24,6%)2.

Światem energii rządzą określone prawa i zasady. Kluczowe z nich ustaliła termodynamika, czyli dziedzina fizyki, która zajmuje się badaniem przemian termicznych i energetycznych w układach. Dla rozważań przedstawionych w niniejszej książce szczególnie ważna jest pierwsza zasada termodynamiki, która mówi, że energia nie może zostać stworzona ani zniszczona, lecz jedynie przekształcona z jednej formy w inną. Wyklucza to na przykład stworzenie perpetuum mobile, czyli urządzenia, które wytworzyłoby więcej energii, niż samo przyjęło. Z kolei druga zasada termodynamiki mówi między innymi, że podczas przekształcania energii z jednej formy w drugą zawsze wystąpią straty, podobnie podczas przesyłania energii z jednego miejsca do drugiego.

Patrząc na dostępne człowiekowi technologie stosowane w energetyce, których w przeważającej części używa się do produkcji energii elektrycznej3, można dojść do wniosku, że wspólnym mianownikiem prawie wszystkich tych rozwiązań jest prosta zamiana energii mechanicznej w energię elektryczną4. Dokonuje się to za pomocą generatorów, które – wykorzystując indukcję magnetyczną – niejako przesuwają ładunek elektryczny w przewodnikach. Zasada ich działania została opracowana przez angielskiego fizyka Michaela Faradaya. Cały proces wygląda następująco: w generatorze są magnesy zamocowane na ruchomym wirniku. Wokół niego znajdują się przewody lub cewka wykonane z przewodnika (zwykle jest nim miedź). Kiedy magnesy zaczynają się obracać, tworzą zmienne pole magnetyczne przechodzące przez przewody lub cewkę. To z kolei powoduje indukcję prądu elektrycznego – elektrony zostają wprawione w ruch. Następnie prąd jest przekazywany na zewnątrz generatora i przesyłany do korzystających z niego urządzeń. Warto nadmienić, że prąd elektryczny opisywany jest dwiema kluczowymi wartościami, takimi jak napięcie i natężenie. Napięcie – wyrażane w woltach (V) – to miara różnicy potencjałów elektrycznych między dwoma punktami w obwodzie. Często jest porównywane do siły, która popycha wodę przez rurę – im wyższe napięcie, tym większa siła napędowa prądu elektrycznego. Z kolei natężenie prądu elektrycznego, którego jednostką jest amper (A), można porównać do ilości wody przepływającej przez rurę w danym czasie. Określa ono liczbę ładunków elektrycznych, jakie przepływają przez przewodnik w danej jednostce czasu. W elektroenergetyce stosuje się prąd stały oraz prąd zmienny, którego rodzajem jest prąd przemienny. W tym pierwszym przypadku elektrony płyną w jednym kierunku przez obwód z niezmienną intensywnością; w drugim (a konkretnie w przypadku prądu przemiennego) elektrony zmieniają kierunek przepływu zgodnie z pewnym regularnym cyklem. W sieciach elektroenergetycznych używa się najczęściej prądu przemiennego o częstotliwości 50 herców (Hz) lub 60 Hz. Prąd, który płynie w zwykłych domowych instalacjach elektrycznych w Polsce to prąd przemienny o napięciu 230 V o częstotliwości 50 Hz. Jest on jednofazowy – w dużym uproszczeniu oznacza to, że w gniazdku znajduje się jeden przewód pod napięciem podłączony do jednej z dziurek gniazda. W drugiej znajduje się przewód neutralny zwany też zerowym. Umożliwia on przesyłanie prądu w zamkniętym obwodzie.

Powyższe opisy powinny wystarczyć do płynnego wejścia w rozważania na temat światowej energetyki. Składają się one z analizy dziejów kluczowych źródeł energii, z jakich korzystał i korzysta człowiek. Każda z tych historii uczy czegoś innego na temat gospodarki energetycznej. Jak się bowiem okazuje, energetyka miała swoją własną ewolucję, czyli długotrwały proces rozwoju, polegający na adaptowaniu się do zmiennych warunków i potrzeb. Genialne odkrycia przeplatają się w nim z fatalnymi błędami, tworząc sumę doświadczeń, które ukształtowały współczesny sektor energetyczny. Historie te pokazują także, że energetyka przenika codzienność, choć ludzie często nie zdają sobie z tego sprawy.

1 1 N to z kolei siła, która nadaje ciału o masie 1 kg przyspieszenie 1 m/s^2.

2 https://www.energy.gov/ne/articles/what-generation-capacity

[dostęp: 11.05.2023].

3 Utożsamianej powszechnie z prądem elektrycznym, czyli uporządkowanym ruchem elektronów w obwodzie elektrycznym.

4 Wyjątkiem jest fotowoltaika, która zmienia energię słoneczną w energię elektryczną.

Węgiel

„Możemy to równie dobrze nazwać
czarnymi diamentami. Każdy kosz to
potęga i cywilizacja”.

Ralph Waldo Emerson

Paradoks sytuacji, w której obecnie znajduje się światowa gospodarka, polega na tym, że mimo potężnych działań na rzecz ochrony klimatu ludzie wciąż nie są w stanie skutecznie zrezygnować z podstawowego paliwa kopalnego, jakim jest węgiel. Wręcz przeciwnie: zwiększają jego zużycie. Paradoksalne jest również to, że surowiec, który przez stulecia pomagał budować dobrobyt i lepsze życie miliardów ludzi, zrodził przy okazji powszechne niebezpieczeństwo klimatyczne, które może zagrozić mieszkańcom naszego globu.

Węgiel to drugie największe – tuż po ropie – źródło energii pierwotnej na świecie, znane ludziom już od starożytności. Warto zaznaczyć, że zbiorcza nazwa „węgiel” odnosi się do pojemnej kategorii – pod tym pojęciem ukrywa się całkiem sporo typów skał, przy czym nie wszystkie spośród nich znajdują zastosowanie w energetyce. W 2022 roku światowe zużycie węgla kamiennego pobiło rekord wszech czasów – spaliliśmy aż 8 miliardów ton tego surowca. Według analityków Międzynarodowej Agencji Energii popyt na węgiel pozostanie na tym poziomie co najmniej do roku 2025. Świadczą o tym chociażby wyniki przemysłu wydobywczego w krajach zaliczanych do trzech największych producentów węgla kamiennego: w Chinach, w Indiach oraz w Indonezji. W tej kalkulacji uwzględniono dwa główne rodzaje węgla kamiennego: węgiel energetyczny (wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej i ciepła) oraz węgiel koksowy (potrzebny na przykład w procesie produkcji stali). Do tego trzeba doliczyć także wydobycie i spalenie około 600 milionów ton węgla brunatnego, który wydobywają głównie Chiny, Niemcy i Rosja. Ten rodzaj węgla jest używany praktycznie wyłącznie w energetyce; trafia do kotłów elektrowni niedługo po wydobyciu, gdyż ze względu na wilgotność i strukturę nie nadaje się do długotrwałego składowania i przewożenia na większe odległości. Przy swoim zużyciu węgiel en masse jest największym pojedynczym źródłem dwutlenku węgla spośród surowców energetycznych – z uwagi na dużą intensywność jego emisji przy spalaniu; tylko w 2022 roku odpowiadał za wprowadzenie do ziemskiej atmosfery około 15 miliardów ton CO_2. Dla przykładu, Elektrownia Bełchatów emituje rocznie około 30 milionów ton CO_2, a samochód osobowy o rocznym przebiegu 20 tysięcy kilometrów – 4–4,5 tony CO_2.

Tak istotną emisję dwutlenku węgla, czyli gazu cieplarnianego, można nazwać dodatkowym kosztem użytkowania tego surowca. Z tego właśnie względu węgiel postrzega się obecnie jako potężne zagrożenie dla stabilności ziemskiego klimatu. Pojęcie „dekarbonizacja”, używane przy okazji debat o polityce klimatycznej, odnosi się zarówno do redukcji emisji gazów cieplarnianych (przede wszystkim dwutlenku węgla), jak i do wyparcia węgla z pozycji filaru gospodarki poszczególnych państw. Dążenie do dekarbonizacji można jednak określić – parafrazując słowa kapitana Reanulta z filmu Casablanca – jako koniec pięknej przyjaźni. Węgiel przez całe wieki pomagał bowiem człowiekowi podwyższać poziom życia i budować dobrobyt społeczeństw. To węgiel zasilił rewolucję przemysłową, która w ekspresowym tempie zaledwie dwóch stuleci wyniosła ludzkość na zupełnie nowy, wyższy poziom rozwoju cywilizacyjnego. Według szacunków Banku Światowego jeszcze w 1800 roku – a więc tuż na starcie tego industrialnego maratonu – aż 85% ludzkości żyło w skrajnej nędzy. Po około 100 latach dynamicznego rozwoju, a więc pod koniec XIX wieku, odsetek ten zmniejszył się do 50%. Obecnie szacuje się, że jedynie 9% światowej populacji żyje w takich warunkach. Można, a nawet należy dostrzegać to, jak szkodliwe następstwa spalania węgla i innych surowców kopalnych zmieniały i zmieniają ziemski klimat. Ale trzeba również przyznać, że to dzięki tym ostatnim – i dzięki ludziom, którzy je wydobywali, obrabiali i przetwarzali na energię służącą do zasilania coraz to nowych urządzeń – współczesny człowiek może powszechnie korzystać z dóbr i wygód, które dawniej nie były dostępne nawet królom czy cesarzom. Nie można jednak dać się uwieść narracji o jakimś rzekomym długu wdzięczności, który ludzkość ma wobec węgla – nie, nic takiego nie istnieje, bo węgiel to jednak surowiec, a nie przyjaciel z dzieciństwa; człowiek ma natomiast zobowiązania względem przyszłych pokoleń w zakresie utrzymania środowiska i klimatu w stabilnym stanie. Ale żeby było to możliwe, to znaczy, żeby udała się dekarbonizacja, trzeba najpierw rozumieć, dlaczego węgiel stał się tak ważnym elementem naszej rzeczywistości.

Historia węgla to tak naprawdę historia całego świata. Kiedy około 4,5 miliarda lat temu uformowała się planeta Ziemia, węgiel jako pierwiastek już na niej występował. Natomiast surowiec, o którym teraz mówimy, zaczął powstawać dużo później, to jest w okresie karbonu (węgiel kamienny) oraz paleogenu i neogenu (węgiel brunatny), a więc odpowiednio w przedziałach 358–298 milionów lat temu oraz 66–2,5 miliona lat temu. Przypomnijmy sobie, jak przebiegał ten długi i wieloetapowy proces. Otóż olbrzymie rośliny, które porastały Ziemię w karbonie, obumierały, a w miarę rozkładu – w sprzyjających warunkach temperaturowych i ciśnieniowych – tworzyły warstwę torfu1, którą (wskutek przemian terenu) pokrywał materiał skalny, na przykład piasek czy żwir. Pod ich ciężarem torf zagłębiał się pod powierzchnię ziemi, gdzie panowały coraz wyższe ciśnienie i coraz wyższa temperatura. Po kilku milionach lat oddziaływania tych dwóch czynników warstwa torfu stawała się węglem brunatnym, po kolejnych milionach lat – węglem kamiennym. Ktoś mógłby powiedzieć, że w pewnej perspektywie czasowej – liczonej w setkach milionów lat – węgiel jest odnawialnym źródłem energii. W końcu, jeśli poczekamy odpowiednio długo, to żyjące dziś na świecie rośliny mogą się w niego zamienić, tak jak stało się to w okresie karbonu.

Ludzkość zaczęła korzystać z surowca węglowego jeszcze w starożytności. Wzmianki o węglu można znaleźć między innymi u greckiego filozofa i uczonego z przełomu IV i III wieku p.n.e. Teofrasta z Eresos, zasługującego na miano starożytnego protonaukowca2. Teofrast wyprzedził własną epokę i prowadził pogłębione studia nad światem przyrody, starając się dokładnie opisywać i porządkować swoje obserwacje. W traktacie O kamieniach (Περὶ λίθων) wspomniał on o pewnych swoistych formacjach kamiennych występujących w Tracji, Ligurii i Elidzie, które mogą się zapalić i rozgrzać tak bardzo, że są wykorzystywane w kuźniach. Dziś wiadomo, że Teofrast opisywał węgiel brunatny. O węglu wspominali także Arystoteles (IV w. p.n.e.) i Pliniusz Starszy (I w. n.e.)3. Jednak węgiel zaczęto wykorzystywać powszechniej jako surowiec energetyczny dopiero kilkanaście wieków później. Dlaczego? Bo ludzkość używała łatwiej dostępnego opału o całkiem przyzwoitych – jak na ówczesne potrzeby – parametrach: drewna oraz węgla drzewnego. Zwłaszcza ten drugi materiał był szczególnie ważny, gdyż dawał więcej ciepła niż naturalne drewno, przez co służył między innymi do wytapiania metali.

Węgiel drzewny można uzyskać poprzez wypalanie drewna w specjalnych stosach zwanych mielerzami. Zapala się je w centrum, uprzednio okrywając szczelnie darnią, torfem lub ziemią. Następnie przez kilka dni w mielerzu zachodzi proces pirolizy, inaczej suchej destylacji. W stosie, dzięki płonącemu centralnemu polanu, panuje temperatura kilkuset stopni Celsjusza, co powoduje – przy braku dostępu tlenu do reszty mielerza – rozkład termiczny drewna. W ten sposób postępuje wypalanie, w ramach którego około 5 kg drewna zmienia się w 1 kg węgla drzewnego4. To właśnie węgiel drzewny był kluczowym surowcem energetycznym dla światowych gospodarek w czasach przedprzemysłowych. Co ważne, nie zawierał siarki i generował względnie mało popiołu (w porównaniu z węglem kamiennym czy brunatnym). Dlatego też wzmiankę Teofrasta o kowalach korzystających z węgla brunatnego należy traktować jako coś wyjątkowego i rzadko spotykanego. Starożytni używali węgla tylko lokalnie, w miejscach, gdzie płytkie pokłady umożliwiały jego pozyskanie bez większego trudu. Z wykopalisk archeologicznych wiadomo jeszcze, że starożytni Rzymianie korzystali czasami z węgla kamiennego do ogrzewania niektórych łaźni oraz do celów zdobniczych, jednakże surowiec ten musiał czekać na czas swojej chwały aż do początku czasów nowożytnych.

Na przeszkodzie powszechniejszego wykorzystania węgla stały ograniczone możliwości jego pozyskania. Jak wiadomo, złoża węgla kamiennego znajdują się głęboko pod powierzchnią ziemi. Jego wydobycie wymaga odpowiednich technologii, te zaś wiążą się z koniecznymi nakładami sił i środków. Tymczasem obfitość i dostępność drewna sprawiły, że przez stulecia nie było potrzeby sięgać w głąb ziemi po bardziej efektywny energetycznie węgiel. Górnictwo węglowe zaczęło się powoli rozwijać dopiero w średniowieczu. W XII wieku, a dokładnie w roku 1113, na terenie dzisiejszej Limburgii (pogranicze Holandii i Niemiec) powstała należąca do klasztoru Augustianów w Klosterrath kopalnia węgla kamiennego Herzogenrath5. Był to pierwszy na naszym kontynencie tego typu zakład, który zapoczątkował długą, trwającą do dziś historię górnictwa węglowego w Europie. W XIII stuleciu podziemne wydobycie węgla rozpoczęto w Anglii, której mieszkańcy korzystali już wcześniej z tego surowca, pozyskując go lokalnie metodą odkrywkową6 – pozwalały na to niektóre bardzo płytkie pokłady. Niedługo potem zaczęto wydobywać kopaliny na terenie dzisiejszej Belgii i Francji (odpowiednio w XIII i XIV wieku), a następnie także w Westfalii i Zagłębiu Saary (od XV wieku). Co ciekawe, już od okresu średniowiecza ludzie zdawali sobie sprawę, że spalanie węgla może mieć negatywne konsekwencje zdrowotne – i starali się je ograniczyć. W 1306 roku król Anglii Edward I wprowadził zakaz palenia węglem w Londynie, z kolei w 1348 roku rada miasta Zwickau leżącego w Saksonii zakazała miejskim kowalom stosowania węgla kamiennego pod karą grzywny7. Przepisy te wprowadzono z uwagi na szkodliwy wpływ zanieczyszczeń tworzących się przy spalaniu – często słabej jakości – surowca. Można zatem przyjąć, że historia walki z tak zwanym smogiem sięga wieków średnich.

Wydobycie węgla nie było jednak wyłącznie domeną Europejczyków. W XIV-wiecznych Chinach węgiel kamienny stosowano do wypalania porcelany oraz wytopu i odlewu żelaza. Było to możliwe dzięki potężnym górniczym zagłębiom Men-tuku i Chu-ku-tien, które znajdowały się w pobliżu Pekinu. Istnieją przekazy, które wskazują, że węgla używano w Państwie Środka już 1000 lat przed Chrystusem. A słynny podróżnik Marco Polo w swoim dziele Opisanie świata wzmiankował, że w górach Chin wydobywa się „czarny kamień”, który pali się lepiej niż drewno. W gospodarce Japonii z kolei wykorzystywano węgiel od około XV wieku8.

Jednakże przez cały ten czas węgiel pozostawał niejako na uboczu. Ludziom wciąż łatwiej było pozyskać inne surowce energetyczne (przede wszystkim naturalne drewno), niż sięgnąć po trudno dostępne, ukryte w głębi ziemi złoża. Wszystko się zmieniło na przełomie XVI i XVII wieku – wówczas to trzy nachodzące na siebie czynniki sprawiły, że węgiel zawojował światową gospodarkę.

Dalsza część książki dostępna w wersji pełnej

1 Por. R.M. Hazen, Symfonia C, Copernicus Center Press, Kraków 2022.

2 A. Frużyński, Zarys dziejów górnictwa węgla kamiennego w Polsce, Muzeum Górnictwa Węglowego, Zabrze 2012.

3 J. Jaros, Zarys dziejów górnictwa węglowego, Śląski Instytut Naukowy w Katowicach, Katowice 1975.

4 A. Frużyński, Zarys dziejów górnictwa węgla kamiennego w Polsce, dz. cyt.

5 Tamże; J. Jaros, Zarys dziejów górnictwa węglowego, dz. cyt.

6 Odkrywkowe wydobycie węgla polega na dostaniu się do pokładu poprzez zdjęcie wierzchniej warstwy gruntu. W Polsce metodą tą pozyskuje się węgiel brunatny, ale na świecie (na przykład w Australii czy w Rosji) znajdują się także odkrywkowe kopalnie węgla kamiennego.

7 J. Jaros, Zarys dziejów górnictwa węglowego, dz. cyt.

8 J. Jaros, Zarys dziejów górnictwa węglowego, dz. cyt.

Atom

Dostępne w wersji pełnej

Ropa naftowa

Dostępne w wersji pełnej

Gaz ziemny

Dostępne w wersji pełnej

Źródła odnawialne

Dostępne w wersji pełnej

Jak działa system energetyczny

Dostępne w wersji pełnej

Transformacja

Dostępne w wersji pełnej

Zakończenie

Dostępne w wersji pełnej

Podziękowania

Dostępne w wersji pełnej

Bibliografia

Dostępne w wersji pełnej

Źródła Ilustracji

Dostępne w wersji pełnej

Spis treści

Karta tytułowa

Wstęp – Energia, czyli wszystko

Czym jest energia?

Węgiel

Atom

Ropa naftowa

Gaz ziemny

Źródła odnawialne

Jak działa system energetyczny

Transformacja

Zakończenie

Podziękowania

Bibliografia

Źródła Ilustracji

Karta redakcyjna

Projekt okładki
Magda Kuc

Zdjęcie na okładce
Ewa Płonka

Redaktor inicjujący
Adam Gutkowski

Redaktorzy prowadzący
Marta Brzezińska-Waleszczyk
Adam Gutkowski

Opieka redakcyjna
Katarzyna Mach

Adiustacja
Barbara Wójcik

Korekta
Barbara Gąsiorowska

Copyright © by Defence24 Sp. z o.o.
© Copyright for this edition by SIW Znak sp. z o.o., 2023

ISBN 978-83-240-6810-4

Książki z dobrej strony: www.znak.com.pl

Więcej o naszych autorach i książkach: www.wydawnictwoznak.pl

Społeczny Instytut Wydawniczy Znak, ul. Kościuszki 37, 30-105 Kraków

Dział sprzedaży: tel. 12 61 99 569, e-mail: czytelnicy@znak.com.pl

Wydanie I, 2023

Na zlecenie Woblink

woblink.com

plik przygotowała Katarzyna Ossowska