Spadek emisji w USA. Na ile to zasługa gazu łupkowego? A może recesji?

Emisje CO2 ze spalania paliw kopalnych są główną przyczyną antropogenicznej zmiany klimatu. Związane są przede wszystkim z produkcją energii elektrycznej a w tym zastosowaniu można używać zarówno węgla jak ropy czy gazu ziemnego. Niektórzy mają nadzieję, że problem globalnego ocieplenia dałoby się rozwiązać, zmieniając wykorzystywane paliwo – np. przechodząc od spalania „brudnego” węgla do spalania gazu, czemu towarzyszą mniejsze emisje dwutlenku węgla. Jaki rzeczywisty efekt przynosi taka zmiana? Przykładu dostarczyła „rewolucja łupkowa”, jaką przeszły ostatnio Standy Zjednoczone.

Rysunek 1. Elektrownia gazowa w Kalifornii. Zdjęcie: David Seibold, licencja CC BY-NC-ND 2.0.

Stany Zjednoczone są krajem ustępującym pod względem emisji jedynie Chinom, jednocześnie mając od nich ponad dwukrotnie większe emisje na osobę. W dekadzie przed 2007 rokiem, emisje USA rosły średnio o 0,7% rocznie. Jednak od 2007 roku emisje zaczęły spadać, w 2012 roku malejąc do poziomu 5284 MtCO2 – o 12% poniżej szczytu w 2007 roku i o 5% poniżej poziomu z 1997 roku (EIA 2014). W 2015 roku emisje w USA były podobne jak w 2012 roku.

Wielu komentatorów, zarówno w środowisku naukowym jak i w mediach, łączy spadek emisji w USA z rewolucją łupkową (w wyniku której taniejący gaz zaczął wypierać węgiel), wychwalając zalety użycia gazu w kontekście ochrony klimatu. Podobne wnioski znalazły się w też National Climate Assessment of the United States Global Change Research Program, w którym możemy przeczytać, że spadek emisji w USA miał miejsce „…w dużym stopniu w wyniku przejścia w produkcji prądu z węgla na mniej emisyjny gaz ziemny.” Przez długi czas jednak nie było ilościowych analiz rzeczywistego udziału zmiany miksu energetycznego w redukcji emisji w USA. Jak pokazuje analiza (Feng i in., 2015) okazuje się, że wcale nie aż tak znaczący…

Wzrost emisji od 1997 do 2007

Od 1997 do 2007 roku emisje USA wzrosły o 7,3% (rysunek 1, czarna krzywa).

Rysunek 2. Wkład różnych czynników w zmiany emisji CO2 w USA w okresie 1997-2013. Przyjmując rok 1997 jako (arbitralny) punkt odniesienia, czarna linia pokazuje procentową zmianę całkowitych emisji CO2. Linie w innych kolorach pokazują wkład do zmian emisji pochodzący ze zmian wolumenu konsumpcji (linia czerwona), populacji (żółta), wzorców konsumpcji (zielona), struktury produkcji (niebieska), intensywności energetycznej (fioletowa) i miksu paliwowego (pomarańczowa). Źródło Feng i in., 2015.

Analiza Fenga wraz z zespołem pokazuje, że główną przyczyną tego wzrostu był wzrost konsumpcji towarów i usług na osobę. Czynnik ten spowodował wzrost emisji aż 21,8% (rysunek 2, linia czerwona). Drugim najistotniejszym czynnikiem wzrostu emisji CO2 w tym okresie był wzrost populacji, mniej więcej w tempie 1% rocznie – spowodował wzrost emisji o 8,9% (rysunek 2, linia żółta). Z drugiej strony, pozostałe czynniki spowalniały wzrost emisji w okresie 1997-2007: spadek intensywności energetycznej gospodarki (mierzonej zużyciem energii na dolara wytworzonej wartości), zmiany wzorców konsumpcji (względny wzrost udziału sektora usług), zmiany struktury produkcji oraz spadek udziału węgla w miksie energetycznym.

Przykładowo, w tym okresie, nakład energetyczny na wytworzenie wartości 1$ spadł o 17% (rysunek 3a, czarna krzywa), udział wydatków konsumenckich przeznaczanych na towary spadł o 4% (rysunek 3b), a udział generacji prądu z węgla spadł o 5%, przy jednoczesnym wzroście udziału gazu o 8% (rysunek 3c). Wszystkie te trendy działały hamująco na wzrost emisji.

Rysunek 3. Trendy szczegółowe. (a) Procentowe zmiany intensywności energetycznej kluczowych sektorów gospodarki USA, (b) udział konsumpcji końcowej w towarach (zdefiniowanych jako: żywność, ubrania, rolnictwo, papier i druk, produkty chemiczne, produkty rafineryjne, hutnictwo, maszyneria i narzędzia, energetyka i sektor budowlany) i usługach (zdefiniowanych jako: sprzedaż, hotelarstwo, transport, żegluga, nieruchomości, administracja publiczna, obronność, edukacja, zdrowie, praca społeczna i praca domowa), (c) zmiany miksu paliwowego w sektorze wytwarzania energii elektrycznej. Źródło Feng i in., 2015.

Spadek emisji od 2007 do 2013

Emisje CO2 w USA osiągnęły szczyt w 2007 roku, a od tego momentu do roku 2013 spadły o 11% (rysunek 2, czarna linia). W całym tym okresie wzrost populacji był jedynym czynnikiem działającym stale w kierunku wzrostu emisji, pozostałe czynniki działały w kierunku ich spadku. Jednak po podzieleniu całego okresu 2007-2013 na krótsze odcinki czasowe uwidaczniają się interesujące szczegóły dynamiki tego procesu.

W latach 2007-2009 emisje spadły o blisko 10%, by następnie w latach 2009-2011 wzrosnąć o 1,3%, a w latach 2011-2013 spaść o 2,1%.

Rysunek 4. Wkład różnych czynników w spadek emisji CO2 w Stanach Zjednoczonych w okresach 2007-2009, 2009-2011 i 2011-2013. Pomiędzy 2007 i 2009, głównym czynnikiem spadku emisji był spowodowany recesją spadek konsumpcji towarów i usług (kolor czerwony). W okresie 2009-2011 konsumpcja trochę się odbiła, co w połączeniu z trwającym wzrostem populacji spowodowało wzrost emisji. W okresie 2011-2013 populacja i konsumpcja też rosły, ale wolniej, co w połączeniu ze spadkiem pozostałych współczynników pozwoliło na spadek emisji. Źródło Feng i in., 2015.

Czynnikiem mającym decydujący wpływ na redukcję emisji był spowodowany recesją ostry spadek przypadającego na osobę wolumenu konsumpcji w okresie 2007-2009. Gdy agresywne działania stymulujące gospodarkę, takie jak dodruk pieniędzy i zerowe stopy procentowe powstrzymały recesję, średnioroczny spadek emisji USA zmalał do 0,2% rocznie. Ożywienie gospodarcze jest widoczne jako wzrost wolumenu konsumpcji w obu okresach 2009-2011 i 2011-2013.

Czy rewolucja łupkowa rozwiązuje problem emisji?

A jak jest z wpływem dostarczonego przez rewolucję łupkową gazu ziemnego? Poprzez zastępowanie węgla (paliwa o najwyższej emisyjności na jednostkę energii) wpłynął on na obniżenie współczynnika miksu paliwowego (słupki pomarańczowe na rys. 2 i 4), ze względu na wyższą sprawność elektrowni gazowych względem węglowych nastąpiło też lekkie obniżenie intensywności energetycznej.

Rewolucja łupkowa zaczęła wpływać na dostawy gazu w USA dopiero od 2009 roku. Można więc przyjąć, że spadek emisji wynikający ze zmian miksu paliwowego do 2009 roku oddaje niezależny od rewolucji łupkowej długoterminowy trend spadku wykorzystania węgla w sektorze energetycznym USA (patrz rysunek 3c).

Udział gazu ziemnego w miksie energetycznym USA zaczyna szybko rosnąć od 2009 roku, co wyraźnie przekłada się na spadek emisji. W latach 2011-2013 połowa z 2,1% spadku emisji jest związana z poprawą miksu paliwowego (-1,2%, pomarańczowy słupek na rysunku 4). Spadek intensywności energetycznej w tym okresie o 2,1% w 1/3 można przypisać jej poprawie w obszarze energetyki, a w 2/3 zmianom wykorzystania energii w sektorach transportu i usług (rysunek 3a).

Przed nadejściem recesji, w okresie 1997-2007, amerykańskie emisje rosły w średnim tempie 0,7% rocznie, napędzane przez wzrost konsumpcji i liczby ludności, i tylko w pewnym tempie spowalnianie przez pozostałe czynniki: poprawę intensywności energetycznej, zmiany wzorców konsumpcji, struktury produkcji i dekarbonizacji miksu paliwowego. Duże redukcje amerykańskich emisji CO2 po tym okresie były przede wszystkim rezultatem recesji gospodarczej. Zaciskanie pasa przez społeczeństwo przyczyniło się też do znaczącej poprawy efektywności energetycznej produkcji.

Od 2009 roku powolnemu podnoszeniu się amerykańskiej gospodarki towarzyszył spadek intensywności energetycznej, szczególnie w sektorach transportu, produkcji i usług (rysunek 3) oraz zmiany miksu paliwowego w sektorze energetycznym. Rezultat netto był bliski zera: powolny spadek emisji o 0,2% rocznie. Co istotne, jak pokazuje analiza Fenga wraz ze współpracownikami, zmiany miksu paliwowego sektora energetycznego mają w tym spadku relatywnie niewielki udział.

Analiza nie tylko pozwala lepiej zrozumieć czynniki wpływające na historyczne zmiany emisji dwutlenku węgla w USA, ale też lepiej oszacować możliwości przyszłego rozwoju sytuacji. W szczególności, umiarkowany wpływ zwiększenia udziału gazu w miksie energetycznym na emisje sugeruje, że potencjalny przyszły wzrost zużycia gazu może mieć ograniczony wpływ na redukcję emisji gazów cieplarnianych.

Jest tak, ponieważ, jak pokazują ostatnie badania (np. McJeon i in., 2014, Davis i Shearer, 2014), tani i łatwo dostępny gaz nie wypiera z rynku jedynie węgla, ale też niskoemisyjne technologie takie jak słońce, wiatr czy energia jądrowa. W rezultacie zmiana netto emisji jest niewielka (McJeon i in., 2014, EMF 2013, Newell i Raimi. 2014, Shearer i in., 2014).

Po drugie, ważne są nie tylko emisje CO2 – rosnąca liczba prac pokazuje, że wycieki metanu z infrastruktury wydobycia, przesyłu i przerobu gazu ziemnego mogą niweczyć korzyści redukcji emisji będących rezultatem zastępowania węgla gazem (Wigley 2011, Brandt i in., 2014).

Po trzecie, spadek cen gazu, także w sektorze gospodarstw domowych, może prowadzić do efektu odbicia, gdy zaoszczędzone na ogrzewaniu domu pieniądze ludzie wydają na energetycznie intensywne cele, takie jak podróże lotnicze, zakup nowego większego auta czy jedzenie większej ilości mięsa.

Rysunek 5. Statek przewożący gaz. Zdjęcie: Gerry Machen, licencja CC BY-ND 2.0.

Po czwarte, spadek spadku krajowego zużycia węgla przyczynił się do wzrostu presji na jego eksport: gdy w okresie 2007-2013 zużycie węgla w USA spadło o 170 milionów ton, jego eksport podwoił się. Choć emisje CO2 z wydobywanego w USA węgla są przypisywane do kraju, w którym jest on spalany, to powodują one globalną zmianę klimatu niezależnie od miejsca spalenia (a jeśli węgiel jest spalany w krajach z mniej wydajnymi elektrowniami, na jednostkę wytworzonej energii przypada więcej emisji).

Z wymienionych powodów, dalszy wzrost zużycia gazu ziemnego w USA może nie mieć znaczącego wpływu na globalne emisje gazów cieplarnianych.

Dodatkowo, dalsze redukcje emisji związane ze spadkiem intensywności energetycznej nie są wcale zagwarantowane. Jak widać na rysunku 3a, intensywność energetyczna firm sektora energetycznego w okresie 2009-2013 wzrosła, a w innych sektorach też nie widać długoterminowego trendu spadkowego. Co więcej, każde spowodowane tanim gazem ożywienie sektora przemysłowego, np. produkcji aut czy ciężkiego sprzętu będzie przekładać się na wzrost średniej intensywności energetycznej gospodarki.

Podsumowując: spadek emisji CO2 w USA po 2007 roku w zdecydowanej większości można przypisać recesji i wymuszonego przez nią zaciskaniu pasa przez Amerykanów oraz poprawie efektywności energetycznej, a jedynie w co najwyżej 30% zastępowaniu węgla gazem.

Przykład USA pokazuje, że pogodzenie redukcji emisji ze wzrostem PKB i wolumenu konsumpcji jest olbrzymim wyzwaniem, uzależnionym od znaczącego spadku intensywności energetycznej i radykalnej dekarbonizacji sektora energetycznego (oraz transportowego, przemysłowego i in.) – mówimy tu nie o zastępowaniu jednego paliwa kopalnego innym. Aby sprostać wyzwaniu powinniśmy mówić o głębokiej poprawie efektywności energetycznej połączonej z odchodzeniem od paliw kopalnych w ogóle i rozwojem zeroemisyjnych źródeł energii, takich jak OZE i/lub atom.

Marcin Popkiewicz, konsultacja merytoryczna prof. Szymon P. Malinowski

Opublikowano: 2017-02-07 11:01
Fundacja UW
Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień przeglądarki oznacza akceptację polityki cookies.