Zrównoważony Rozwój okiem studentów PG | Politechnika Gdańska

Artykuł opracowali Justyna Papiernik oraz Michała Krawczyszyn studenci kierunku Matematyka Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej PG. Opiekunem projektu jest dr inż. Magdalena Chmara z Instytut Matematyki Stosowanej PG.

Czym jest zrównoważony rozwój? Jakie są jego założenia? Jak matematyka pomaga nam w rozwiązywaniu problemów, tak aby spełniać cele zrównoważonego rozwoju? Odpowiedzi na te i inne pytania można znaleźć w artykule. Zapraszamy do lektury.

Motywacją do napisania przez nas – studentów matematyki na PG tego artykułu jest projekt specjalnościowy, który skupia się na zagadnieniu. W trzech, kolejnych artykułach chcemy przybliżyć czytelnikom nasze spostrzeżenia i odkrycia. Dzisiejszy świat stawia przed nami coraz większe wyzwania związane z zrównoważonym rozwojem, dlatego właśnie postanowiliśmy podjąć się tego tematu. Nasz pierwszy artykuł, "Matematyka i zrównoważony rozwój", przybliży pojęcie zrównoważonego rozwoju konkretne zastosowania matematyki w kontekście wspierania celów zrównoważonego rozwoju. Chcemy pobudzić zaangażowanie młodych umysłów w budowanie lepszego jutra tj. bliższego koncepcji zrównoważonego rozwoju.

Zapraszamy do lektury!

Zrównoważony rozwój jest to kierunek działania dający możliwość funkcjonowania obecnemu pokoleniu w taki sposób, aby chronić zdolność przyszłych pokoleń do zaspokojenia swoich potrzeb. Jego zakres obejmuje zarówno działanie systemu społecznego, gospodarczego jak i ochrony środowiska. Celem takiego procesu jest jednoczesne uzyskanie wzrostu gospodarczego, zwiększania spójności społecznej oraz polepszenia jakości środowiska naturalnego. Wiele koncepcji uwzględniających Cele Zrównoważonego Rozwoju można wyrazić za pomocą języka matematyki.

Cele Zrównoważonego Rozwoju i jego fundamenty

Działania które mają na celu realizowanie celów zrównoważonego rozwoju opierają się o następujące punkty: ludzie, nasza planeta, dobrobyt, pokój na świecie i partnerstwo.

Teraz gdy znamy pojęcie ZR i jego cele, pochylmy się nad zastosowaniem matematyki.
Omówiony przykład dotyczy celu nr 13 czyli działań dotyczących w dziedzinie klimatu.
Zadanie polega na analizie problemu emisji dwutlenku węgla (CO₂) wynikającej z procesu spalania paliw kopalnych. Spalanie tego typu paliw, takich jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny, stanowi główne źródło emisji CO₂ do atmosfery, co przyczynia się do globalnego ocieplenia i zmian klimatycznych. Przejdźmy do treści zadania:

[2] Światowe zużycie energii otrzymanej z paliw kopalnych wynosi około 5∙10²⁰ [J] (dżule) rocznie. Podczas ich spalania uwalnia się się średnio 70 gramów CO₂ na każdy [MJ] (megadżule) wyprodukowanej energii. Oblicz roczną całkowitą masę CO₂ uwalnianego przy spalaniu paliw kopalnych (w kilogramach).

Aby obliczyć całkowitą emisję CO₂ podczas spalania paliw kopalnych, należy wziąć pod uwagę ilość zużywanej energii oraz ilość CO₂ emitowaną na jednostkę zużytej energii. Na podstawie danych dotyczących globalnego zużycia energii i średniej emisji CO₂ na jednostkę energii można wyznaczyć całkowitą emisję CO₂.

Sposób obliczania emisji CO₂ jest prosty. Pierwszym krokiem jest przeliczenie całkowitej zużywanej energii z jednostki dżule na megadżule (MJ), co pozwoli na uproszczenie obliczeń.

1 J=1∙10^-6  MJ zatem, 5∙10²⁰ J = 5∙10¹⁴ MJ

Następnie, znając średnią ilość CO₂ emitowaną na jeden megadżul energii, można pomnożyć tę wartość przez ilość zużywanej energii, aby uzyskać całkowitą emisję CO₂.

(masa uwolnionego CO₂ na megadżul = 70 gramów = 0.07 kilogramów)

wyprodukowane CO₂ = 5∙10¹⁴ MJ/rok ∙ 0.07 kg/MJ

wyprodukowane CO₂ ≈ 3.5∙10¹³ kg/rok  

Otrzymany wynik jest zbliżony do danych jakie są zaprezentowane na stronie:

https://www.eia.gov/environment/emissions/co2_vol_mass.php 

Na podstawie danych z tego źródła przedstawiamy wykres, który umożliwia nam wizualne określenie poprawności naszego rozwiązania.

(wykres łącznej emisji CO₂ - opracowanie własne, na podstawie danych z [3]) 

Zrozumienie procesu obliczania emisji CO₂ jest kluczowe dla świadomego podejmowania działań mających na celu ograniczenie negatywnego wpływu spalania paliw kopalnych na środowisko naturalne.

Jak właściwie jest obliczana ilość emitowanego CO₂? [4]

Niech rozpatrywanym krajem będzie Polska.

Krok 1: Zbieramy dane przemysłowe dotyczące ilości wydobytego węgla, brunatnego węgla, torfu i ropy naftowej w Polsce w jednym roku. Te dane pozwalają nam określić, ile energii mogłaby być wyprodukowana, gdyby wszystkie te surowce zostały zużyte w kraju.

Krok 2: Nie możemy założyć, że Polska zużyła tylko paliwa wyprodukowane w kraju - mogła importować pewne paliwa lub eksportować je gdzie indziej. Aby dowiedzieć się, ile paliwa Polska faktycznie spaliła, musimy skorygować te dane handlowe. Biorąc pod uwagę produkcję krajową (uwzględniając wszelkie paliwa przechowywane jako zapasy), dodając wszelkie paliwa importowane i odejmując wszelkie paliwa eksportowane, otrzymujemy szacunkowe zużycie netto w danym roku. Innymi słowy, obliczając: 

Wydobycie węgla − Węgiel wyeksportowany + Węgiel importowany − Węgiel przechowywany jako zapasy

możemy oszacować ilość węgla spalonego przez Polskę.

Krok 3: Konwersja wyprodukowanej energii na emisje CO₂. Na podstawie jakości węgla, jego zawartości węgla oraz ilości CO2 emitowanej za każdy spalony kilogram (tzw. współczynnik emisji), możemy oszacować emisje CO₂ z węgla dla Polski w danym roku. Mnożąc ilość spalonego węgla przez jego współczynnik emisji, możemy oszacować emisje CO₂ związane z węglem.

Krok 4: Wykonując te obliczenia dla wszystkich typów paliw, możemy obliczyć całkowite emisje CO₂ dla Polski w danym roku.

Analiza emisji dwutlenku węgla (CO₂) wynikającej z procesu spalania paliw kopalnych przynosi kilka kluczowych wniosków:

• zrozumienie procesu obliczania emisji CO₂ jest niezbędne dla podejmowania świadomych decyzji dotyczących klimatu,
• ogromna skala emisji CO₂ globalnie pokazuje pilną potrzebę redukcji emisji na poziomie światowym, 
• konieczność działań mających na celu ograniczenie spalania paliw kopalnych, co wymaga promowania energii odnawialnej i zwiększenia efektywności energetycznej.

Dziękujemy za przeczytanie naszego artykuły i zapraszamy na część drugą! 

Bibliografia:
[1] Grafiki na stronie tytułowej pochodzą ze strony: https://www.un.org.pl/
[2] Przykład zadania z emisją CO₂: Roe, John., et al. Mathematics for Sustainability by John Roe, Russ deForest, Sara Jamshidi. Springer International Publishing, 2018
[3] Dane które pozwoliły utworzyć wykres emisji CO₂: https://www.eia.gov/environment/emissions/co2_vol_mass.php
[4] Sposób obliczania emisji CO₂: https://ourworldindata.org/co2-emissions