Skorzystać z mocy meteo cz. II


18-09-2021 19:13:50

Na pytania Przeglądu Technicznego odpowiadają  pracownicy Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej: Jakub Sawicki, Mirosław Miętus, Mariusz Figurski, Andrzej Wyszogrodzki

- Czy przynależność do Unii Europejskiej skutkuje jakimiś zobowiązaniami co do skali i zakresu badań i pomiarów meteo oraz przyjmowanych standardów?

- prof. Mirosław Miętus: Zakres pomiarowo-obserwacyjny stacji meteorologicznych wchodzących w skład narodowych służb meteorologicznych, a tym samym ich minimalne wyposażenie, określają odpowiednie dokumenty Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO). Natomiast każdy kraj, czy grupa krajów, ma prawo poszerzać program obserwacyjno-pomiarowy swoich stacji w zależności od potrzeb. W tym wypadku nikt tego nie ogranicza. Jeśli zaś chodzi o Unię Europejską, to nie ma ona kompetencji w tym zakresie. Istnieją co prawda europejskie organizacje meteorologiczne, jak EUMETNET czy ECOMET, ale członkostwo w nich jest dobrowolne, a one same mają pełną autonomię działalności.

- Jakub Sawicki: Przynależność do Unii Europejskiej nie nakłada na IMGW-PIB obowiązków w zakresie prowadzenia pomiarów i badań. Z członkostwa w Unii Europejskiej wynika pośrednio, poprzez prawo krajowe, udzielenie szerokiego dostępu do danych gromadzonych w ramach PSHM. Instytut jest członkiem organizacji EUMETNET zrzeszającej europejskie służby meteorologiczne, nie będącej jednak częścią Unii Europejskiej.

- Polska jest, jak wiadomo, poddawana presji klimatycznej, tzn. oczekuje się zobowiązań co do radykalnej redukcji emisji CO2. Czy prowadzimy własne badania klimatyczne by, naukowo ocenić wpływ emisji na zmiany klimatu? Czy możliwa jest ocena pochodzenia CO2 w atmosferze?

- prof. Mirosław Miętus: Odpowiedź na pytanie wymaga zmiany porządku odpowiedzi. Powszechnie znana definicja „spalania” mówi, że jest to proces, w którym paliwo (najczęściej kopalne) reaguje z tlenem, wytwarzając ciepło oraz produkty uboczne reakcji egzotermicznej, czyli dwutlenek węgla (CO2) oraz wodę (H2O). To jednoznaczny dowód, że w wyniku spalania paliw na potrzeby produkcji energii pojawia się antropogenicznie wytworzony CO2. Wiemy również, że dwutlenek węgla jest dobrze mieszającym się gazem, o stosunkowo długim czasie życia w powietrzu. Dzięki dynamice atmosfery koncentracja CO2 może być wyrównana. To fakty naukowe, nie negowanego przez nikogo.

Emisja tego gazu ze znacznej części działalności ludzkiej jest obecnie kontrolowana. Kontrola ta polega m.in. na monitoringu koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze oraz bilansowaniu emisji z różnych obszarów gospodarki. Obecnie w Polsce systematyczny i długofalowy monitoring koncentracji atmosferycznej CO2 nie jest elementem Państwowego Monitoringu Środowiska. Funkcjonują jednak badawcze sieci środowiskowego monitoringu emisji dwutlenku węgla i innych gazów w cieplarniach, które realizują cele konkretnych programów naukowych. Wielkość emisji antropogenicznej jest monitorowana i bilansowana w wielu krajach świata m.in. na potrzeby zobowiązań wynikających z Ramowej Konwencji NZ ds. Zmiany Klimatu (UNCCC). W Polsce odpowiada za to Ministerstwo Klimatu i Środowiska i jego wyspecjalizowana agenda Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami (KOBIZE).

Dobrze rozpoznany i opisany jest również obieg węgla w przyrodzie. To ogół procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych zachodzących na Ziemi, w wyniku których następuje ciągła wymiana węgla znajdującego się w atmosferze, wodzie, organizmach żywych, ich szczątkach oraz w skorupie ziemskiej. Podstawowym elementem obiegu węgla są organizmy żywe, a dokładniej asymilacja CO2 powstałego w procesie oddychania. Wielkość rocznej emisji CO2 z rozpadu materiału organicznego w lasach i obszarach trawiastych szacuje się na 220 miliardów ton. Równocześnie praktycznie taka sama ilość jest absorbowana przez inne procesy naturalne, głównie fotosyntezę. Szacuje się, że wulkanizm odpowiada za emisję rzędu 130-230 milionów ton atmosferycznego CO2 w skali roku. Człowiek poprzez swoją działalność odpowiada za emisję, której wielkość wynosi ok. 27 miliardów ton w skali roku.

Relacja klimat – emisja CO2 (czyli finalnie koncentracja) jest opisana prostym modelem fizycznym nazywanym efektem cieplarnianym. Mechanizm ten został udowodniony w literaturze naukowej i nie jest kwestionowany. Samo badanie relacji „zmiana koncentracji gazów cieplarnianych w atmosferze - zmiana temperatury” jest nazywane „atrybucją przyczyn”. Jest to eksperyment numeryczny realizowany z wykorzystaniem globalnych modeli klimatycznych. W pierwszym jego etapie wykonuje się symulację klimatu z naturalną zmiennością koncentracji CO2 w atmosferze. Etap drugi to symulacja klimatu tym samym zestawem modeli, ale przy założeniu, że koncentracja gazów cieplarnianych zmienia się w tempie zgodnym z rezultatami monitoringu koncentracji tych gazów w skali globalnej. W efekcie otrzymujemy dwie serie globalnej temperatury powietrza, wygenerowane w etapie 1 i 2 procedury atrybutywnej. Serie te porównuje się z serią, która powstała w wyniku analizy pomiarów temperatury na stacjach meteorologicznych. W przypadku serii z etapu 1 brak jest zgodności z pomiarami, gdyż taka seria nie przedstawia wzrostu temperatury. Z kolei seria wygenerowana w etapie 2 wykazuje silne podobieństwo do serii pomiarowej.

- Odnawialne źródła energii korzystają z energii w stanie czystym, tzn. nie korzystają z surowców zawierających energię z dawnych epok geologicznych. Ale zużywają część bieżącej energii z atmosfery. Czy nie może to stanowić zakłócenia systemu wymiany energetycznej w przyrodzie?

- prof. Mirosław Miętus: Systemy wytwarzające energię użyteczną ze źródeł odnawialnych, zanim zaczną generować tzw. czystą energię, „wyemitują” pewną ilość gazów cieplarniach w procesie wytwarzania ich elementów oraz budowy konstrukcji. Sama eksploatacja tych systemów również wiąże się z niewielką emisją szkodliwych substancji. Pamiętajmy też, że w przyszłości ulegną one wyeksploatowaniu i konieczna będzie ich likwidacja. W tym procesie ponownie dojdzie do emisji gazów cieplarnianych, a także pojawią się inne zagrożenia środowiskowe. Rachunek emisji jest zatem w chwili uruchomienia takiej instalacji ujemny, a produkcja czystej energii rozpoczyna się z określonym długiem emisyjnym. Jednak ten dług jest bardzo szybko spłacony. W Polsce wyprodukowanie 1 MWh energii elektrycznej związane jest z emisją ok. 725 kg CO2. Ten „dług startowy” będzie się zmniejszać w miarę wzrostu udziału energii pochodzącej z systemów odnawialnych w polskim miksie energetycznym. Powszechna produkcja energii ze źródeł odnawialnych wprowadza oczywiście pewne zakłócenia w systemie wymiany energii, nie znam jednak wyników badań w tym zakresie, zwłaszcza w skali globalnej. Znane mi wyniki pojedynczych badań wskazują na zmiany warunków w skali mikro.

- prof. Mariusz Figurski, Andrzej Wyszogrodzki: Globalna wymiana energii jest zdeterminowana ilością energii promieniowania słonecznego docierającego do atmosfery ziemskiej – to ok 170 tyś. TW, z czego 50 tys. jest odbijanych, a 120 tyś. TW jest absorbowanych przez atmosferę i powierzchnię planety oraz oceny [1]. Nadmiar energii docierającej do stref równikowych podlega globalnej dystrybucji, co odbywa się głównie poprzez huragany, które przenoszą nadwyżkę energii z obszarów równikowych w strefy średnich szerokości geograficznych.

Szacuje się przy tym, iż około 1 proc. energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi przekształca się w energię wiatrów w całym przekroju atmosfery, co oznacza, że sumaryczna ich moc może sięgać 900 TW [2]. Większość wiatrów wieje na dużych wysokościach oraz nad oceanami, zatem tylko znikoma ilość tej energii może być wykorzystana przez elektrownie wiatrowe – w zależności od metodologii wielkość tą szacuje się na 8 do 170 TW [1]. Dla porównania, całkowite zapotrzebowanie na energię wynosi obecnie ok. 18 TW. Gdyby zatem założyć, że globalnie zaczniemy czerpać energię tylko z wiatru, to będzie ona stanowić zaledwie kilka procent całkowitej energii kinetycznej wiatru oraz ułamek promila całkowitej energii absorbowanej przez Ziemię.

Badania dotyczące wpływu energetyki wiatrowej na klimat prowadzone są na całym świecie, ale ich liderem są Stany Zjednoczone. Analizy wykonane w ostatnich latach wykazały, że pokrycie obecnego zapotrzebowania na energię elektryczną w USA, na poziomie 0,5 TW, z wykorzystaniem tylko energii wiatrowej może spowodować podniesienie temperatury powierzchni kontynentalnej Stanów Zjednoczonych o około 0,24 st. Celsjusza [3]. Szacuje się, że wpływ na klimat byłby dziesięciokrotnie mniejszy, gdyby taką samą ilość energii wyprodukować z rozproszonych systemów fotowoltaicznych [3].

Pozostają jeszcze pytania o wpływ alternatywnych źródeł energii na środowisko naturalne w wymiarze lokalnym. W przypadku farm wiatrowych możemy mieć do czynienia z zaburzeniem przepływu średniego przy powierzchni ziemi w obszarze zawietrznym w stosunku do famy, a w szczególności powstawaniem strefy podwyższonej turbulencji rozciągających się nawet do kilkudziesięciu kilometrów. Zmiany te nie są oczywiste w większej skali. Badania, w których założono 20-procentowy udział produkcji energii ze źródeł wiatrowych w USA, wskazują jedynie na lokalne zmiany przypowierzchniowych parametrów meteorologicznych w obszarze występowania elektrowni.

Z kolei farmy fotowoltaiczne mogą oddziaływać na lokalną wymianę strumieni ciepła i wilgotności. Eksperymenty numeryczne z ekstremalnym przypadkiem budowy farmy fotowoltaicznej rozmiarów Sahary, zabezpieczającej moc dla całej ludzkości, wykazały znaczne, długotrwałe i negatywne konsekwencje w postaci zaburzenia rozkładu opadów (susze i degradacja lasów tropikalnych w obszarze Amazonii), zwiększania się globalnej temperatury powietrza oraz wzrostu tempa topnienia lodów wokół Arktyki. Zaobserwowano także wpływ na oscylacje El-Nino wzmagające aktywność cyklonów tropikalnych nad Oceanem Atlantyckim. Badania te pokazują, że wybór odpowiednich lokalizacji dla tego typu farm oraz ich wielkość mogą mieć znaczenie.

Całkowity wpływ energetyki wiatrowej i słonecznej na środowisko jest z pewnością mniejszy niż energii pochodzącej ze źródeł kopalnych. Jednak w miarę dekarbonizacji systemu energetycznego, decyzje dotyczące wyboru pomiędzy energią wiatrową a słoneczną powinny być podejmowane na podstawie szacunków ich wpływu na klimat. Powinien to być proces ciągły, który będzie skorelowany z rozwojem energetyki z odnawialnych źródeł energii.

[1] https://www.newscientist.com/article/mg21328491-700-power-paradox-clean-might-not-be-green-forever/?ignored=irrelevant

[2] https://pl.wikipedia.org/wiki/Energia_wiatru

[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243511830446X

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl