Energia słoneczna czy fuzja nuklearna? Tak w 2050 roku może wyglądać globalna energetyka

Wkroczyliśmy w 2025 r., co oznacza, że do przełomowego w kontekście walki ze zmianami klimatycznymi 2050 roku pozostało 25 lat. Granica ta, uznawana za kluczową przez wiele państw, firm i organizacji, nadal ma dziś wiele znaków zapytania.

Czy uda nam się zrezygnować z paliw kopalnych? Sprawdziłam, co nauka mówi na temat tego, jak przypuszczalnie będzie wyglądał miks energetyczny świata w 2050 roku.

Energetyka na rozdrożu

W idealnym świecie w roku 2050 moglibyśmy spodziewać się świata pełnego czystej, taniej i dostępnej dla wszystkich energii. Niestety, to mrzonka. Transformacja energetyczna to konieczność, bo dalsze korzystanie z paliw kopalnych negatywnie wpływa na stan naszej planety – najlepszego miejsca do życia we wszechświecie, jakie znamy obecnie.

Niestety, nasza cywilizacja jest głęboko uzależniona od paliw kopalnych i o ile nie nastąpi jakiś rewolucyjny, niespodziewany przełom, w 2050 roku dalej będziemy z nich korzystać, choć w mniejszym stopniu niż obecnie.

Niemniej wydaje się, że najbardziej optymistyczny scenariusz uwzględniany w raportach Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) jest mało realny. Najpewniej nie osiągniemy bowiem do 2050 roku stanu Netto Zero Emission (NZE).

Przewidywania przyszłego miksu energetycznego zarówno świata, jak i Polski utrudniają geopolityczne zawirowania, czy doświadczane obecnie w różnych regionach konflikty zbrojne.

Na przykład wraz z początkiem 2025 roku układ źródeł energii w Europie uległ znaczącemu przeobrażeniu za sprawą całkowitego wyłączenia tranzytu rosyjskiego gazu przez Ukrainę. Punktów zapalnych w światowym systemie dystrybucji paliw i energii jest więcej, wystarczy spojrzeć na newralgiczny dla transportu gazu i ropy region, jakim jest Cieśnina Ormuz.

W niniejszym materiale skupiam się jednak bardziej na danych statystycznych i technologicznych aspektach, bazując na najnowszych raportach z wiarygodnych źródeł, takich jak IEA, czy pracach naukowych dotyczących transformacji energetycznej i produkcji energii.

Stoimy przed wyborem różnych ścieżek rozwoju, ale drogę determinują prawa fizyki (zmieniający się klimat planety) i technologiczne ograniczenia. Marzenie o wszechobecnej, taniej i czystej energii – jaką mogłaby zapewnić energetyka oparta na fuzji nuklearnej – na razie pozostaje wyłącznie marzeniem.

Czy tak samo będzie także w 2050 roku? Co będzie wówczas stanowić główne źródło energii dla naszej cywilizacji? Zastanówmy się nad tym.

Obecny miks energetyczny świata

Zgodnie z najnowszymi danymi zawartymi m.in. w raporcie World Energy Outlook 2024 opublikowanym przez IEA, czyste technologie wchodzą do systemu energetycznego świata w bezprecedensowym tempie.

Tylko w samym 2023 roku oddano do użytku ponad 560 GW nowych mocy OZE. Dla porównania, żebyśmy zdali sobie sprawę, jak to jest dużo, największa elektrownia w Polsce, opalana węglem brunatnym Elektrownia Bełchatów (i największy pojedynczy emitent CO2 na świecie), dysponuje mocą zainstalowaną na poziomie 5472 MW.

Przepływy inwestycyjne na projekty związane z czystą energią zbliżają się dziś do 2 bilionów USD rocznie. To kwota niemal dwukrotnie większa niż wartość inwestycji w sektor energetyczny i projekty oparte na paliwach kopalnych (ropie, gazie i węglu) łącznie. Z drugiej strony nietrudno dostrzec, że wciąż inwestujemy w paliwa kopalne, z których przecież mieliśmy zrezygnować.

Ponadto rozwój systemów energetycznych jest nierównomierny. Mimo znacznych inwestycji, ogólnie w branżę energetyczną, a w sektor OZE szczególnie, wciąż na naszej planecie 750 milionów osób (głównie w Afryce) pozostaje w ogóle bez dostępu do prądu. Ponad 2 miliardy nie ma dostępu do czystych paliw do gotowania posiłków. Do 2030 roku powinno być trochę lepiej, ale tylko trochę. Według prognoz IEA, do końca bieżącej dekady prąd uzyska dodatkowe 200 milionów ludzi, a czystą kuchnię ok. 550 mln ludzi.

Jak wygląda obecnie miks energetyczny świata? To co na pewno obserwujemy to spadek roli paliw kopalnych w produkcji energii. W ostatniej dekadzie ich udział w światowym miksie energetycznym stopniowo spadał z 82% w 2013 r. do 80% w 2023 r.

Niewielki to spadek, ale trzeba pamiętać, że zarazem wzrosło zapotrzebowanie na energię. W wymienionym okresie o 15%. 40 procent tego wzrostu zostało zaspokojone przez czystą energię, przez co IEA rozumie nie tylko OZE, ale też energię jądrową, paliwa niskoemisyjne, a także wychwytywanie, utylizację i składowanie dwutlenku węgla.

Jak widać na powyższej infografice, według raportu 2024 Statistical Review of World Energy opublikowanego przez Energy Institute w 2023 roku (za rok 2024 nie ma jeszcze wszystkich danych, ich analiza też zajmuje czas) światowa konsumpcja energii pierwotnej wyniosła 620 EJ (eksadżuli; 1 EJ to ok. 278 TWh, czyli terawatogodzin).

Z tej liczby, najwięcej, bo aż 196 EJ pochodzi z ropy naftowej, 164 EJ to węgiel, a 144 EJ napędził gaz ziemny, elektrownie atomowe dostarczyły 25 EJ, wodne 40 EJ, a pozostałe źródła OZE (fotowoltaika, inne technologie solarne, turbiny wiatrowe itd.) 51 EJ. Wykres rozwiewa wątpliwości, co dziś jest podstawowym źródłem energii dla naszej cywilizacji: paliwa kopalne. Inaczej ujmując, aż 81,29% energii pierwotnej skonsumowanej przez ludzkość w 2023 roku pochodzi z ropy, gazu i węgla.

Tutaj istotna uwaga: proszę zwrócić uwagę, że powyższy wykres dotyczy energii pierwotnej, a nie prądu. Energia pierwotna to całkowita energia zawarta w surowcu energetycznym przed jakimikolwiek procesami przetwarzania. Jest to energia, którą pozyskujemy bezpośrednio z natury.

Nie jest to prąd, czy ciepło, lecz surowy materiał, z którego wytwarzamy różne formy energii, w tym elektryczną. Przykładem energii pierwotnej jest węgiel w ziemi. Kiedy go wydobywamy i spalamy w elektrowni, energia zawarta w węglu zostaje przekształcona na energię cieplną, a następnie na energię elektryczną.

Rodzajów energii pierwotnej jest wiele, od paliw kopalnych takich jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, po energię jądrową i odnawialne źródła energii, jak energia słoneczna, wiatrowa czy wodna. Pojęcie energii pierwotnej jest istotne, ponieważ pozwala nam ocenić, ile energii zużywamy i z jakich źródeł, a także ocenić efektywność energetyczną i wpływ różnych źródeł energii na środowisko.

Skupianie się wyłącznie na zużyciu energii końcowej, czyli zużyciu prądu dostarczanego do gniazdek, czy ciepła w kaloryferach nie daje nam obrazu, jak wiele energii pochłania samo przetwarzanie, nie uwzględnia teżstrat.

Paradoksalnie chcąc wykorzystywać wyłącznie OZE pasjonaci ekologii często ignorują fakt, że wydobycie surowców do np. produkcji paneli solarnych czy turbin wiatrowych, technologie materiałowe, produkcja, transport – to wszystko pochłania energię, którą dziś pozyskujemy najczęściej z paliw kopalnych.

Energia pierwotna to fundamentalne pojęcie w energetyce, które pozwala nam zrozumieć, skąd naprawdę pochodzi energia, którą wykorzystujemy na co dzień.

Aktualny miks energetyczny Polski

Jak wygląda sytuacja w naszym kraju? Udało mi się dotrzeć do obszernego raportu Transformacja energetyczna w Polsce Edycja 2024 przygotowanego przez Forum Energii. Zgodnie z opublikowanymi danymi (publikacja zawiera zestawienie za rok 2022 opracowane na podstawie danych Eurostatu) twierdzenie, że „Polska węglem stoi” straciło na aktualności. Owszem, węgiel odpowiadał w 2022 roku za 45,1% zużytej energii pierwotnej w naszym kraju, ale to mniej niż połowa. Sądzę, że bardzo wiele osób może być zaskoczonych takim wynikiem.

Z drugiej jednak strony źródła OZE dostarczyły w 2022 roku 13,2% energii pierwotnej, co oznacza, że udział paliw kopalnych w polskim miksie energetycznym jest jeszcze wyższy od względnych wskaźników globalnych. Szczegóły na poniższej infografice pochodzącej z wspomnianego raportu Forum Energii:

Podpowiem, że jednostki na powyższym wykresie to petadżule (PJ). Aby łatwiej było wam porównywać z danymi globalnymi: 1 EJ = 1000 PJ. Dane jasno pokazują, że w naszym kraju, jeszcze w 2022 roku (de facto na początku 2023.) 85,9% stanowiła energia pierwotna z paliw kopalnych.

Nieco nowsze dane zawiera publikacja Głównego Urzędu Statystycznego pt. Energia ze źródeł odnawialnych w 2023 roku. Ponieważ zawiera ona dane również z 2023 roku. W ciągu roku zużycie energii pierwotnej ze źródeł odnawialnych w Polsce wzrosło z 571,2 PJ w 2022 do 588,9 PJ, a udział OZE w 2023 wyniósł 14,5%.

Cieszy wzrost, ale tempo zmian nie daje żadnych nadziei na to, że w 2050 roku Polska będzie korzystać wyłącznie z czystej energii. Nie zmienia to jednak faktu, że wszelkie dostępne dziś prognozy pokazują spadek wykorzystania paliw kopalnych. Z czego zatem będziemy czerpać głównie energię w 2050 roku? Czy będzie to fuzja nuklearna, czy energia ze Słońca? Zacznijmy od energii solarnej.

Energia solarna: potęga Słońca i… pieniądza

Naukowcy, którzy w Nature Communications opublikowali w październiku 2023 roku artykuł pt. „The momentum of the solar energy transition” zwracają uwagę, że energia słoneczna jest najszerzej dostępnym źródłem energii na Ziemi. Generalnie ich zdaniem do roku 2050. energia słoneczna będzie dominującym źródłem energii dla naszej cywilizacji i to – tu się robi ciekawie – niezależnie od dalszych polityk klimatycznych. Wystarczy ich zdaniem sama ekonomia. Choć zwracają oni również uwagę, że dominacja energii solarnej w światowym miksie rodzi też wiele nowych problemów związanych ze stabilnością sieci energetycznych. Spójrzmy na ciekawy wykres:

Zdaniem autorów wspomnianej pracy już w 2020 roku w żadnym miejscu na świecie energia z węgla nie była najtańszą formą pozyskiwania energii elektrycznej. Do końca bieżącej dekady energia solarna będzie najtańszym sposobem produkcji energii elektrycznej w skali globalnej.

Warto zaznaczyć, że mówimy tu o koszcie wytworzenia energii elektrycznej, a nie o energii pierwotnej. Niemniej w kontekście naszej energetycznej przyszłości to zdecydowanie dobra wiadomość.

Podobne rokowania co do OZE mają również prognozy IEA, spójrzmy na kolejny ciekawy wykres:

Obecnie główną siłą napędową naszej cywilizacji są paliwa kopalne, to się nie zmieni, nawet gdy przyjmiemy, że w przyszłości uda się zrealizować mało realny scenariusz NZE (czyli zerowej emisji netto) do 2050 roku.

Nawet w tym scenariuszu część miksu energetycznego zawiera ropa naftowa, gaz i węgiel. W pozostałych scenariuszach takich jak STEPS (zachowanie bieżących, już wdrożonych polityk klimatycznych poszczególnych państw) oraz APS (uwzględnienie polityk klimatycznych, ale też niezrealizowanych jeszcze zobowiązań i celów) udział paliw kopalnych jest jeszcze bardziej widoczny. Niezmiennie widać jednak najbardziej dynamiczny wzrost udziału czystej energii w miksie energetycznym świata.

Zatem Słońce, a co z energetyką fuzyjną? Z pewnością wiele osób co i rusz spotykających się z kolejnymi „przełomowymi osiągnięciami” w dziedzinie fuzji nuklearnej, mogą sądzić, że już niebawem wszelkie problemy z energią dla naszej cywilizacji znikną. Jak to jest naprawdę z tą fuzją?

Fuzja nuklearna: Święty Graal energetyki

Fuzja nuklearna to proces łączenia jąder atomowych, zazwyczaj lekkich izotopów wodoru (deuter, tryt), w jądra atomów cięższych pierwiastków, takich jak hel. Podczas tego procesu uwalniana jest ogromna ilość energii, zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E=mc², gdzie E oznacza energię, m masę, a c prędkość światła.

Skąd pochodzi energia? Otóż masa jądra cięższego pierwiastka (np. helu) powstałego w wyniku fuzji, czyli syntezy nuklearnej, jest nieco niższa od masy składników (jąder lżejszych pierwiastków: izotopów wodoru) z których powstała. Fizycy nazywają tę różnicę defektem masy. Ów defekt masy na podstawie wzoru Einsteina dotyczącego równoważności masy i energii pozwala obliczyć, ile energii pozwala pozyskać proces syntezy nuklearnej.

Generalnie dzięki fuzji nuklearnej niewielka ilość masy zostaje przekształcona w olbrzymią ilość energii. Naprawdę olbrzymią. Teoretycznie synteza grama helu z jąder deuteru odpowiadałaby energii, jaką otrzymalibyśmy w wyniku spalenia 17,4 tony węgla (są różne rodzaje węgla, przyjęłam znakomity węgiel o wartości opałowej 30 MJ/kg). Synteza jest też znacznie bardziej efektywna od energii atomowej pochodzącej z rozszczepienia ciężkich pierwiastków.

Dla porównania z rozszczepienia 1 grama uranu-235 w postaci czystej (dla uproszczenia, jednak jest to zbyt idealnym scenariuszem, bo elektrownie atomowe jako paliwo wykorzystują mieszaninę izotopów uranu z niewielkim udziałem reaktywnego U-235) uzyskalibyśmy energię równoważną spaleniu ok. 2,73 tony węgla (o wartości opałowej 30 MJ/kg). W praktyce jest to jeszcze mniej, ze względu na mieszaninę izotopów uranu w paliwie nuklearnym.

Jednocześnie fuzja nuklearna wykorzystuje jako paliwo izotopy wodoru, które są powszechnie dostępne, zwłaszcza deuter, który występuje w wodzie morskiej. Tryt, drugi izotop wodoru wykorzystywany w fuzji, może być produkowany w samym reaktorze z litu, pierwiastka również stosunkowo obfitego.

Ponadto fuzja jądrowa jest z natury bezpieczniejsza od rozszczepienia. W przypadku awarii reaktora termojądrowego reakcja fuzji samoczynnie ustaje, eliminując ryzyko katastrofy na miarę Czarnobyla czy Fukushimy. Co więcej, fuzja jądrowa nie generuje długotrwałych odpadów radioaktywnych, co stanowi poważny problem w przypadku konwencjonalnych elektrowni jądrowych.

Czemu zatem nie fuzja w 2050 roku? Z powodu jednego, fundamentalnego problemu: nie potrafimy jej kontrolować w sposób umożliwiający budowę komercyjnych elektrowni fuzyjnych.

Elektrownia fuzyjna w 2050: mało prawdopodobny scenariusz

W 2022 roku przez nie tylko technologiczne i popularnonaukowe, ale również i mainstreamowe media przetoczyła się fala doniesień na temat sukcesu amerykańskich naukowców pracujących w National Ignition Facility: ośrodku badawczym pracującym nad reakcją fuzji indukowanej zapłonem laserowym. Otóż w 2022 roku Departament Energii Stanów Zjednoczonych ogłosił, że w tejże placówce udało się uzyskać dodatni bilans energetyczny w procesie fuzji termojądrowej z wykorzystaniem promieniowania laserowego dużej mocy.

Istotnie, było to ważne osiągnięcie naukowe, ale nie mające praktycznego znaczenia. Bo o ile moc samego strzału laserowego faktycznie była niższa od energii wyzwolonej w paliwie fuzyjnym, to energia wymagana do przeprowadzenia całego eksperymentu wielokrotnie przekroczyła wynik reakcji. Niemniej ten test był ważny z innej przyczyny: dowiódł, że dodatni bilans jest w ogóle możliwy.

Niestety, choć nauka systematycznie drobi małe kroczki na ścieżce ku energetyce fuzyjnej, eksperci specjalizujący się w tej tematyce są zgodni: od w pełni komercyjnych elektrowni fuzyjnych i czystej, w praktyce niewyczerpywalnej energii dzielą nas nie lata, a dekady.

Doskonale widać to po stanie projektu ITER, największego, eksperymentalnego reaktora fuzyjnego, jaki ludzkość zbudowała. Sam reaktor jest już gotowy, ale inwestycja, która już pochłonęła ponad 22 mld dolarów, wymaga dalszych nakładów. Plany wstępnego uruchomienia reaktora zostały przełożone z roku 2025 na rok… 2034.

Pełne zdolności operacyjne reaktor ma uzyskać dopiero w 2039 roku, a wciąż nie wiadomo, czy nie będzie dalszych opóźnień. Jednak nawet zakładając, że ich już nie będzie, ITER nie będzie produkować prądu. Tego ten projekt w ogóle nie przewiduje. ITER pozostanie wyłącznie urządzeniem eksperymentalnym.

W takiej sytuacji trudno przypuszczać, że do 2050 roku energetyka fuzyjna stanie się faktem. Być może w najbliższych latach dokonamy ważnego przełomu, może wspomoże nas sztuczna inteligencja? To na razie jedynie domysły. Ratowanie planety trzeba planować opierając się na realnych możliwościach i dostępnych technologiach. Energetyka solarna jest takim właśnie rozwiązaniem.

Źródło: IEA, Energy Institute, Nature Communications, GUS.

Część odnośników to linki afiliacyjne lub linki do ofert naszych partnerów. Po kliknięciu możesz zapoznać się z ceną i dostępnością wybranego przez nas produktu – nie ponosisz żadnych kosztów, a jednocześnie wspierasz niezależność zespołu redakcyjnego.

Artykuł Energia słoneczna czy fuzja nuklearna? Tak w 2050 roku może wyglądać globalna energetyka pochodzi z serwisu ANDROID.COM.PL - społeczność entuzjastów technologii.