Spis treści
Jakiś czas temu wyszła książka poświęcona branży energetycznej. Jej autor zwracał uwagę, że niektórzy odradzają już dalsze promowanie urządzeń elektrycznych, ponieważ mogą tego nie wytrzymać sieci elektroenergetyczne, a popyt na prąd rośnie tak szybko, że gdy tylko powstają nowe elektrownie, to od razu są obciążane w maksymalnym możliwym stopniu i trzeba budować kolejne.
Chodziło wówczas o kampanię promującą nowe technologie i elektryfikację tych dziedzin życia, gdzie przez setki lat ludzie radzili sobie bez prądu – oświetlenia, gotowania, prasowania ubrań czy napędzania maszyn. Wspomniana książka ukazała się w Królestwie Polskim 112 lat temu. Jej autor podnosił obawy przeciwników dalszej elektryfikacji gospodarki z przekąsem i zupełnie się z nimi nie zgadzał. Jak się okazuje, miał rację. Od tego czasu zużycie energii elektrycznej w Polsce (w granicach III RP) wzrosło 300-krotnie.
Jestem przekonany, że w okolicach 2125 roku kolejni historiografowie polskiej energetyki, w odpowiedzi na planowany rozwój ogrzewania rezonansowego, produkcji i utrzymania mikrodronów do zapylania roślin oraz rosnącej konsumpcji energii elektrycznej przez elektrosyntetyczne mięśnie wszczepianie na potęgę przez młodych ludzi w miejsce dotychczasowych biologicznych tkanek, z uśmiechem będą wspominać czasy, gdy to stara dobra AI i elektryfikacja transportu miały rzekomo doprowadzić do zawalenia się systemów elektroenergetycznych i blackoutów.
Elektryfikacja dokonuje się od 150 lat
Energia elektryczna powoli przejmuje kolejne sektory gospodarki – wyparła lampy naftowe, kieraty konne, maszyny parowe, parę technologiczną, gołębie pocztowe, parowozy i liczydła, a teraz wypiera silniki benzynowe, kotły węglowe i gazowe, a nawet część energii chemicznej zużywanej przez nasze mięśnie (schody ruchome i windy), czy nasze mózgi (komputery, sztuczna inteligencja).
Elektryfikacja globalnej gospodarki zachodzi od 150 lat. Przyczyna tego procesu jest dość prosta – energia elektryczna jest uniwersalnym i „eleganckim” nośnikiem energii, dającym się z łatwością dzielić i nieemitującym zanieczyszczeń na poziomie dystrybucji oraz zasilania, a w coraz większym stopniu także na etapie produkcji.
Dla naszych prawnuków obrazki z rurami wydechowymi pojazdów na ulicach miast czy kominami górującymi nad dachami domów będą świadectwem starych zapyziałych miast i epoki, w której nie chcieliby żyć. Czymś takim, czym dla nas są obrazki domów oświetlanych lampami naftowymi, parowozów, wozów konnych czy wychodków na podwórzach kamienic. Niby jeszcze nie tak niedawno były powszechnie wykorzystywane, a dziś są już reliktem odległej epoki.
Mój technooptymizm bierze się nie tylko z obserwacji, że obawy o wystarczalność energii elektrycznej są tak stare, jak same systemy energetyczne. Jednak także z obserwacji drogi, jaką przebyliśmy. Z jednego strony systemy elektroenergetyczne na świecie rozrosły się przez ostatnie 100 lat kilkukusetkrotnie i nadal rosną wykładniczo (o 3-5% rocznie). Z drugiej strony zużycie energii elektrycznej na jednostkę wykonywanej dla nas pracy spadło w tym czasie w wielu dziedzinach o 99% i nadal spada.
Pierwsze lampy łukowe wymagały 500-600 W, aby dostarczyć 1000 lm światła. Pierwsza komercyjna żarówka Thomasa Edisona wymagała już „tylko” 100 W. Dzisiejszy LED potrzebuje do tego 6 W. I jasne, że dziś oświetlenie elektryczne jest powszechne i globalnie pochłania w sumie bez porównania więcej energii elektrycznej niż w czasach Edisona. Jednak współcześni Edisonowi komentatorzy z łatwością wieszczyć mogli, że nie ma szans, aby upowszechnić oświetlenie elektryczne, bo wymagałoby to wydobycia tysięcy razy więcej węgla, niż wówczas się wydobywało.
Tyle, że wydajność oświetlenia poprawiła się 100 razy, a sprawność elektrowni kolejnych kilka razy. Równocześnie wydobycie węgla zwiększyło się dziesiątki razy, a obok niego rozwinęły się też nowe technologie generacji prądu i oto, 150 lat później, mamy system, w którym 90% populacji świata ma już stałe oświetlenie elektryczne w domach, a systemy elektroenergetyczne nie zawaliły się pod jego naporem. Jak każda transformacja, także transformacja systemów oświetleniowych, nie zajęła roku czy nawet dekady, lecz kilkadziesiąt lat i trwa nada. Taki sam rozwój w obszarze transportu czy ogrzewania jest teraz przed nami.
Inny przykład, to moc elektryczna wymagana do zasilania komputerów. Wydajność procesorów przez ostatnich 80 lat poprawiła się o 99,99%, a dalszy możliwy teoretyczny spadek ich jednostkowego zapotrzebowania na energię wynosi kolejne 99,97% względem współczesnych maszyn.
Efektywność energetyczna komputerów wzrosła miliony razy
Aby wykonać 1 tryliard operacji komputer ENIAC z 1945 roku wymagał 1,4 TWh energii elektrycznej. Do wykonania tych samych obliczeń komputerom tranzystorowym z lat 60. wystarczyło już „tylko” 2,8 GWh, komputery z lat 70. potrzebowały na to 28 MWh, procesor Pentium z 1995 roku już tylko 278 kWh, podczas gdy procesory CPU z okolic 2010 roku 278 Wh. Najnowsze chipy służące np. do generowania obrazów AI, zużywają na tę liczbę operacji już tylko 2,8 Wh. Owszem, trenowanie ich wymaga 50-razy więcej energii, ale to tylko część działań AI. Ponadto wciąż jeszcze jesteśmy stosunkowo daleko do wydajności ludzkiego mózgu (zużywającego 0,03 Wh na tę ilość operacji) czy minimalnej teoretycznej wartości fizycznej wg Landauera (0,00079 Wh).
Co więcej, sztuczna inteligencja co prawda zużywa coraz więcej energii, ale też zmniejsza zużycie w innych obszarach. Zrobienie w miarę prostego obrazu zajmie grafikowi komputerowemu jakieś 4 godziny pracy. Zużyje na to ok. 1 kWh energii elektrycznej (komputer, Internet, monitor, myszka, klawiatura, może jedna kawa w ekspresie czy lampka na biurku). Zrobienie podobnej grafiki przez AI potrwa jakieś 10 sekund, a więc 1000 razy mniej i będzie wymagać niespełna 1 Wh energii elektrycznej, czyli także tysiąckrotnie mniej niż praca żywego człowieka przy biurku.
Oczywiście, nie oznacza to, że ten człowiek nie będzie robić nic innego przez te 4 godziny (chociaż, kto wie…). Zatem docelowo AI wygeneruje obraz, a człowiek i tak będzie siedział i ją nadzorował, wydając przez te 4 godziny polecenia wykonania dziesiątek innych obrazów. Zużywać prąd będą zatem zarówno serwery i procesory AI, jak i grafik stacjonarnie. Komputer grafika, na samo wydawanie poleceń zużywać będzie jednak mniej energii, więc efektywność ostateczne zapewne i tak wzrośnie.
Kolejny przykład, to bankowość elektroniczna. Tu także obawialiśmy się i być może nadal obawiamy wzrostu zapotrzebowania na energię do obsługi transakcji elektronicznych. Od 2000 roku, gdy takie transakcje odpowiadały w Polsce za jakiś 1% wszystkich operacji bankowych, do dziś, gdy jest to już ponad 95% operacji, zużycie energii elektrycznej na potrzeby bankowości elektronicznej wzrosło setki tysięcy razy.
W tym samym czasie zapotrzebowanie na prąd w tradycyjnych placówkach bankowych (oświetlenie, klimatyzacja, komputery, monitory, czajniki itd.) spadło o kilkadziesiąt procent. To drugie z gigantyczną nawiązką ograniczyło pobór prądu przez system bankowości w przeliczeniu na jedną transakcję. W tym czasie system bankowy się rozrósł i wzbogacił o kryptowaluty, więc zużycie w tym obszarze globalnie rośnie, ale gdy spojrzymy na Polskę gdzie system bankowy ćwierć wieku temu był już rozwinięty i oparty na placówkach bankowych, to okaże się, że pobór całego sektora bankowego w naszym kraju spadł za sprawą jego cyfryzacji.
Samochody elektryczne: zużycie energii drastycznie spadnie, zużycie prądu wzrośnie
Nieco inaczej sytuacja ma się w przypadku samochodów elektrycznych czy ogrzewania elektrycznego. W tych sektorach zastępujemy dotychczasowe nieefektywne silniki spalinowe czy kotły węglowe wysokosprawnymi urządzeniami. Wydajność energetyczna nowych technologii znacząco więc rośnie.
W przypadku samochodów spalinowych sprawność od pola naftowego do kół auta sięga zaledwie 20%, podczas gdy w aucie elektrycznym zasilanym nawet z sieci publicznej opartej w znacznej części na nieefektywnych elektrowniach węglowych, jak w Polsce, sprawność ta jest ponad 2x wyższa i sięga 50%, w krajach z efektywnymi systemami elektrycznymi (np. Norwegii) wynosi 70%, a w przypadku ładowania auta z domowej fotowoltaiki po stronie mikrosieci DC sprawność ta wyniesie nawet 80%.
Tyle, że energię w postaci ropy pochodzącej z Rosji, Arabii Saudyjskiej czy USA, zastępować będziemy energią produkowaną lokalnie, w Polsce. Pozyskanie energii elektrycznej w kraju będzie więc rosnąć wraz z elektryfikacją transportu. Chociaż tutaj też występuje pewne zastępowanie. Samochody spalinowe, na 100 km, potrzebują – poza ropą naftową – ok. 4 kWh energii elektrycznej (produkcja, przesył, rafinacja ropy, a następnie transport, dystrybucja i sprzedaż detaliczna paliw częściowo także napędzane są prądem).
Podobnie sytuacja będzie wyglądać w przypadku pomp ciepła i węgla, bo dziś co trzecia tona węgla spalanego w domowych kotłach musi być przywożona, np. z Rosji lub Kazachstanu – tu także będziemy widzieli wzrost popytu na krajowy prąd, w miejsce importowanego węgla. Wraz ze zmianą źródeł energii na odnawialne, spadać będzie natomiast zużycie prądu przez kopalnie, elektrownie i pociągi wożące węgiel (największa część pociągów towarowych przewozi właśnie to paliwo). W sumie to ponad 20 TWh energii elektrycznej rocznie (z czego większość to zapotrzebowanie samych elektrowni węglowych).
Te wzrosty zapotrzebowania na krajową energię elektryczną nie będą niczym, czego nie obserwowalibyśmy od ostatnich 100 lat. Co ciekawe, sektor energetyczny w Polsce od dekad boryka się raczej z innym problemem – przeszacowywania wzrostu zapotrzebowania energię elektryczną w kolejnych 10, 20 czy 30 latach. Zwykle rządowe i branżowe prognozy zakładały gigantyczne wzrosty, podczas gdy poprawa efektywności energetycznej w jednych sektorach, w znacznej mierze kompensowała rosnący pobór w innych obszarach.
