ENERGIATERMELÉS, -ÁTALAKÍTÁS, -SZÁLLÍTÁS ÉS -SZOLGÁLTATÁS
2.4 1.6
A megújuló energia helyzete ma és a jövőben Tárgyszavak: megújuló energiaforrások; szélerőművek; napenergia-hasznosítás; geotermikus energia; biomassza; növény alapú üzemanyagok.
A megújuló energiatechnológiák fejlődése A megújuló energia fogalma az erőforrások széles választékára alkalmazható, amelyek közös sajátsága az „önnön megújulás”; ilyen a napfény, a szél, a föld belső hője, a biomassza (energiát tartalmazó növények, mezőgazdasági és városi hulladék). Ezeket az erőforrásokat felhasználhatjuk – bármely gazdasági szektorban – villamosenergia-termelésre, épületek fűtésére, valamint ipari folyamatokhoz. A megújuló energiaforrások részesedése az USA energiatermelésében kb. annyi, mint az atomenergiáé (10%). Mindegyik megújuló energia hasznosítása eltérő fejlesztési és felhasználási fázisban van. Számos technológia már eljutott a kereskedelmi hasznosításig és jó néhány az alkalmazásig. Az USA 1998-ban a megújuló energiaforrások felhasználása következő megoszlást mutatta: 55% vízenergia, 35% biomassza (beleértve a városi hulladékot is), 5% geotermikus energia; 0,5% szélenergia. Részletes információk állnak rendelkezésre az USA-ban 7000 megújuló energiát hasznosító erőműről, amelyek a villamos hálózatra csatlakoznak. A megújuló erőforrások világszerte bőségesen rendelkezésre állnak, a Föld felületén ezerszer több napenergia érhető el, mint amennyi fosszilis energiát felhasználunk. Az 1. táblázat a különböző forrásokból, 1 m2-ről nyerhető megújuló energiát tekinti át. A fosszilis tüzelőanyagokhoz hasonlóan a megújuló energiaforrások sincsenek egyenletesen elosztva a világban, bár többnyire miden régió rendelkezik valamilyen megújuló energiaforrással. A különböző megújuló energiaforrások egymást kiegészítve, együttesen hatnak az energiaellátás biztonságára.
1. táblázat
2
Az 1 m területen nyerhető megújuló energiák összehasonlító adatai Energiaforrás
Éves energiatermelés (kWh/m2)
Szélenergia (változó)
11 (átlagos szélsebességnél) 18 (nagy szélsebességnél)
Biomassza (alapterheléssel)
15 (alacsony hatékonyság mellett) 45 (nagy hatékonyság mellett)
Fotoelektromos (változó)
50–100
Geotermikus (alapterheléssel)
160–200
A legtöbb megújuló forrást felhasználó energiarendszernek rugalmasan növelhető a terhelése. A centralizált energiatermelés számára a megújuló energiarendszerek nagyobb tőkeigényt jelentenek, mint a hagyományos rendszerek (pl. a kombinált ciklusú földgáztüzelésű erőmű) létesítése. Ennek ellenére az első kezdeti beruházások üzemeltetése azt mutatja, hogy a gazdaságosság összehasonlítható a hagyományos technológiákkal, mivel a működtetés és karbantartás költségei kisebbek. Ez a jövőben méginkább eltolódik a megújuló energiatechnológiák felé, különösen azokban a régiókban, ahol a tüzelőanyagok viszonylag drágák, és méginkább azok áremelkedése esetén. Mind a napenergia, mind a szélenergia esetében a „tüzelőanyag” ára nemcsak stabil, hanem nulla, a működés egész élettartama alatt. A megújuló energiarendszerek nem termelnek olyan hulladékot, szennyezést, amely savas esőt okozna, egészségügyi problémákat jelentene, vagy a környezet tisztítása, a hulladékok megfelelő elhelyezése járulékos költségekkel járna. A globális klímaváltozás veszélyét a CO2 és egyéb gázok az atmoszférában való jelentős felhalmozódása okozza; ez elmarad a nap-, a szél- és a geotermikus energiarendszerek alkalmazása esetén. Ténylegesen az USA-ban a jelenleg hasznosított megújuló energia révén 70 Mt szénemissziót lehet elkerülni. A biomassza ugyan képez CO2-t, amikor energiává alakul, azonban azt abszorbeálja az a növény, amelyet a biomassza céljára termesztenek, így az energiatermelés és növénytermelés együtt közel nulla CO2-kibocsátást eredményez. Annak ellenére, hogy a nap- és szélenergiát az emberiség évezredek óta használja, a megújuló energiatechnológiák modern alkalmazása csak kb. 20 éve tárgya a fontos fejlesztéseknek. Ezalatt az időszak alatt az ipari és kormányzati tényezők (főként az USA Energiaügyi Minisztériuma, DOE, Department of Energy) jelentős kutatási és fejlesztési befektetései komoly változást eredményeztek a megújuló energiarendszerek költségeiben, teljesítményében és megbízhatóságában (1. ábra).
10-2 USD/kWh
nap hőenergiává alakítva
fotoelektromos napenergia-hasznosítás
szélen.
geotermikus
1. ábra A megújuló forrásból nyert villamos energia költsége, trendek és tervek A) Fotoelektromos energia Fotoelektromos berendezések nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, és működésük során nincs károsanyag-kibocsátás. A különlegesen kialakított fotoelektromos modulberendezések nagyon kis cellákat alkalmaznak panelekben, ill. sorokban elrendezve. Nagyon kevés szervizt, javítást igényelnek, tipikus élettartamuk 20 év. Az USA-ban a NREL (National Center for Photovoltaics = Nemzeti Fotoelektromos Központ) irányítja a kutatást; az egyetemi és az ipari kutatók együttműködnek az előállítási költségek csökkentése érdekében. Erőfeszítéseik középpontjában a nagyobb hatékonyságú félvezető anyagok és berendezések tervezése, előállítása áll, a gyártókapacitások növelésével és a termékek minőségének biztosításával párhuzamosan. A fotoelektromos panelek gyártásának tőkeigénye a 80-as évek elején 50 USD/W értéket meghaladó szintről, mára 5 USD/W értékre csökkent. Az ily módon előállított villamos energia költsége ugyanakkor az 1980-as kb. 0,90 USD/kWh értékről 0,20 USD/kWh értékre csökkent! Ugyan ez még mindig magasabb a hagyományos erőműben előállított villamos energia költségénél. A fejlődő országok piacain virágzik a napelemek forgalma, miután növekvő mértékben alkalmazzák távközlésnél, távkapcsolási világításnál, jelzőfényeknél, áramszolgáltatástól távoli otthonok, klinikák ellátásánál. Az épületek tetőszerkezetébe épített fotoelektromos berendezés alkalmazása is növekszik (2. ábra).
300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 3
4
Európa
6,7
7,9
Japán
12,8 14,2 16,8 19,9 18,8 16,7 16,5 16,4 21,2
35
USA
11,1 14,1 14,8 17,1 18,1 22,44 25,64 34,75 38,85
51
összesen
33,6 40,2 46,5 55,4 57,9 60,09 69,44 77,6 88,6 125,8 154,9 201,3 287,7
egyéb országok együtt
4,7
5
4,6
4,4
5,6
6,35 9,75
9,4
18,7 20,5 23,42
10,2 13,4 16,4 16,56 21,7 20,1 18,8 30,4 33,5 49
40
60,66
80
128,6
53,7 60,8 74,97
2. ábra A világ fotoelektromos áramtermelése az 1988–2000 időszakban (MW) A fotoelektromos berendezések piaca, amelyek forgalma 1998-ban 1 Mrd USD volt, folyamatosan növekszik, a legutóbbi két évben ugrásszerű növekedés volt tapasztalható. Az értékesítés 1999-ben 30%-kal, 2000-ben 43%-kal növekedett. A világ fotoelektromos alapú villamosenergia-termelése 2000-re eléri a 288 MW értéket; amelyből az USA 75 MW-ot képviselt, részesedése 26%, Japáné 45% és Európáé (főként Németország) 21%. A kereskedelmi forgalom növekedésében fontos szerepet játszanak a kormányok azzal, hogy programjuk alapján jelentős támogatást adnak a fotoelektromos berendezések alkalmazásához lakóépületeknél. A fotoelektromos berendezések egy új típusa van fejlesztés alatt, amely kiküszöböli azt a „hiányosságot”, hogy napfény szükséges a villamosenergia-termeléshez. Ezek az eszközök olyan félvezetőket alkalmaznak, amelyek hőre (infravörös sugárzásra) érzékenyek, így ennek hatására éjszaka (sötétben) és felhős időben is termelnek villamos energiát, kiküszöbölve az akkumulátorok szükséges alkalmazását. Ezeknél a berendezéseknél azonban szükség van kiegészítő tüzelőanyagra, pl. földgázra, ami a hőt biztosítja olyan időszakokban, amikor a Nap által szolgáltatott hő nem elég.
Ilyen félvezetővel ellátott fotoelektromos berendezést célszerűbb villamos energia előállítására alkalmazni, mint dízelgenerátort, mivel az alapenergia– villamos energia átalakítás hatékonyabb, minimális a környezet szennyezése, a felhasználási célhoz méretre alakítható, könnyen kezelhető és nagy a megbízhatósága. Alkalmazás előtti fejlesztési szakaszban vannak olyan, kis energiaellátó egységek, amelyek távoli területeken, ill. hordozható kivitelben pl. katonai csoportok áramellátását szolgálják. Számolni lehet a hibrid közlekedési eszközöknél a felesleges hőből termo-fotoelektromos úton előállított villamos energiával, és ugyanígy az ipari folyamatokból származó „hulladék hő” is hasznosítható lehet. B) Szélenergia A szélerőmű a kinetikus energiát alakítja át villamos energiává. Bár a szélenergia átalakításának elve egyszerű, maga a szélturbina bonyolult. A legtöbb, kereskedelemben beszerezhető turbina horizontális tengelyű, két vagy három lapátú, és a hajtómű tartalmazza a fogaskerék-áttételt és a generátort. A szélerőművi egységekben a rotor toronyra van felszerelve. A szélturbinák tipikus teljesítménye 200–750 kW, és adott szélsebesség-tartományban termelnek villamos energiát. A technológia gyors fejlődése a költségek csökkenését eredményezte, olyan mértékben, hogy a szélenergiával fejlesztett áram költsége versenyképes a hagyományos erőművel termelttel. A tőkebefektetési igény az 1980-as évek elején jellemző 2,2 USD/W értékről mára kevesebb mint 1 USD/W értékre csökkent. A villamosenergia-termelés költsége ugyanezen időszak alatt 0,40 USD/kWh-ról a jelenlegi 0,04…0,06 USD/kWh-ra csökkent. Az USA-ban a DOE és az ipar közösen végez kutatást az aerodinamikai hatásfok fokozására, és a lapátok szilárdságának növelésére, fejlesztés folyik változtatható szélsebességgel működő generátorok gyártására, az áramellátást ellenőrző berendezések üzembe helyezésére, továbbá magasabb tartóoszlopok alkalmazására (a magasabb légrétegekben a szélerő nagyobb). Ezek a korszerűsített szélturbinás erőművek már 0,02…0,04 USD/kWh költséggel képesek áramot termelni. Kedvező szélviszonyok szerte a világon sokfelé találhatók (az USA-ban pl. 34 szövetségi államban). Pl. Észak-Dakotában a rendelkezésre álló szélenergia egymaga több mint 36%-át biztosítja az összes felhasznált villamos energiának. A többi szövetségi államban ez az arány kisebb. 2000-ben több mint 3900 MW kapacitás értékben szereltek fel szélenergetikai berendezéseket a világon (3,9 Mrd USD értékben). 2000-ben ez 35%os éves kapacitásnövekedést jelentett. A nemzetközi piac gyorsabban fejlődik mint az amerikai (3. ábra). Az Európában üzembe helyezett szélerőművi kapacitás jelentős hányada Németországban és Dániában található, ezek kapacitása meghaladja az USA-ban üzembe helyezettet. A fejlődés növekedésének
üteme meredek, míg az USA-ban 2000-ben csak 30 MW kapacitást helyeztek üzembe. Kína már több mint 100 000 darab szélturbinát telepített villamosenergia-termelés és vízszivattyúzás céljából az energiavezetékektől távoli országrészekbe. Az Amerikai Szélenergia Szövetség (American Wind Energy Association) becslése szerint a következő évtizedben 13 500 MW új kapacitás üzembe helyezése várható világméretben. 4400 4000 MW/a 3600
fel nem sorolt országok Európa USA
3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0 1982
1985
1988
1991
1994
1997
2000
3. ábra Az üzembe helyezett szélerőművi teljesítmény világviszonylatban Az USA szélenergetikai ipara tőkeszegény. Európa kétszer annyi a szélenergetikai gyártó és fejlesztő vállalattal rendelkezik, mint az USA, ezek közül jónéhány már üzemet alapított Észak-Amerikában, ill. betört az USA piacára. C) Bioenergia A biomasszára alapozott erőművek villamos energiát termelnek számos mezőgazdasági, erdészeti termék biomasszájából; a gabonanövények maradékai különösen alkalmasak energiatermelésre. A közvetlen elégetést alkalmazó módszerek esetén a biomasszát kazánokban elégetve, gőzt termelnek, amelyet turbinagenerátor egységen expandáltatva állítanak elő villamos energiát. Léteznek biomasszát és szenet együtt tüzelő erőművek, további lehetőség a biomassza elgázosítása, és a keletkező gáz helyettesíteni tudja a földgázt.
Ma az USA-ban közel 1000 bioenergiát hasznosító erőmű üzemel, ezek közvetlen tüzelésűek, ill. kisebb hányadban vegyes tüzelésűek. Átlagos kapacitásuk 20 MW, és hatásfokuk kb. 20%. A villamos energia költsége 0,08…0,12 USD/kWh. Az USA országos hálózatára kapcsolt kapacitás értéke 1978-ban 200 MW volt, 1998-ra pedig már meghaladta a 7500 MW értéket. Ezek kb. 70%-a erdészeti termékeket, ill. cukornádat dolgoz fel; a városi szilárd hulladékból nyert kapacitás további 3300 MW. A „világ többi részén” a bioenergiára alapozott villamosenergia-termelő kapacitás 20 000–25 000 MW. D) „Bio”-üzemanyagok Gyakran alkalmazzák az etanolt (etilalkoholt) benzin adalékaként egy másik adalék, az etil-tercier-butil-éter növeli a benzin oktánszámát, és tisztább égést eredményez. Az USA Környezetvédelmi Hivatala (EPA) szerint az etanollal kevert benzin használata 25–30%-kal csökkenti a motor CO-kibocsátását, és ugyancsak csökkenti az ózonszintet, ami hozzájárul a városi szmog kialakulásához. Továbbá az etanol égése 90%-kal kevesebb CO2-kibocsátást okoz, mint a benziné. 10% etanol és 90% benzin arányú keveréket már több éve használnak számos országban. A nagyobb arányú (85% és 95%) etanolt tartalmazó keverékek alkalmazását most vizsgálják változtatható üzemanyaggal működő személygépkocsikon és városi autóbuszokon. Ma már 50 000 ilyen közlekedési eszköz van forgalomban az USA-ban, azonban az 1992-es energiapolitikai törvény, és az 1990-es „tiszta levegőért akció” elvárásai további számszerű növekedést diktálnak, mind a szövetségi állami, mind a városi ás a magántulajdonú közlekedési eszközök átalakításában. Az etanolt gabonamagvakból, hagyományos fermentációs technológiával állítják elő, a piaci igényeknek megfelelő mennyiségben (évi több mint 1 Mrd gallon). Miután a gabonatermesztés nagy mennyiségű energiát igényel (a műtrágya előállításának energiaigénye és a farmokon a traktorok üzemanyag), a megújítható energiaforrások kutatásának középpontjába került az olyan etanol („bioetanol”) előállítása, amelynek nyersanyagai gabonahulladékok, rizsszalma, erdei hulladékok – elkerülve a fa eltüzelését –, energiatermelés céljára telepített és viszonylag gyorsan növesztett fafajták. Az etanol biológiai előállítása a következő folyamatokból áll: a felaprított növényi rostos biomasszát enzimes úton vagy savas katalízissel hidrolizálják, oldható cukorrá alakítják, majd a cukrot mikrobiológiai úton etanollá alakítják. A bioetanol előállításának költsége az 1980. évi 3,60 USD/gallon-ról mára 1,20 USD/gallon-ra csökkent (4. ábra). A technikai áttörést genetikus mérnökök által kifejlesztett enzimekkel és mikrobákkal érték el. Feltétlen cél, hogy a biomaszszából előállított bioetanol versenyképes legyen a benzin árával. A kutatások középpontjában alacsony költséggel alkalmazható olyan enzimek állnak, me
USD/gallon
lyek a cellulózt lebontják, bioetanol előállítására különféle biomassza alapanyagokból.
4. ábra A bioetanol költségének folyamatos csökkenése Nem csak etanolt lehet biomasszából előállítani. Az USA-ban évente mintegy 1,2 Mrd gallon metanolt állítanak elő földgázból, amelynek 38%-át a közlekedési/szállítási szektor használja fel. (A többit oldószerként és vegyszerként használják.) Metanolt biomasszából is elő lehet állítani, termokémiai elgázosítás útján. Dízel üzemanyagot jelenleg kőolajból nyernek, bár egy bizonyos korlátozott mennyiséget kezdenek szójababból is előállítani. Azonban a kutatások más bőséges forrást találtak dízel üzemanyag előállítására az algákban előforduló természetes olajokban és a biomassza pirolízisében. A dimetil-éter további olyan üzemanyag, amely a biomasszából előállítható és dízel üzemanyagot helyettesíthet. A biomassza témájában számos szövetségi állam ösztönöz kutatást és fejlesztést, keresve annak lehetőségét, hogy gyorsítsák a bioenergia alkalmazását, és a „bio-alapú” termékek (üzemanyagok, műanyagok, villamos energia) előállítását és felhasználását. A stratégia kulcseleme olyan fejlesztési változatok keresése, amely több termék gyártását célozza, és megoldja a biomassza „finomítói” feldolgozását. Hasonlóan a kőolaj finomítói feldolgozásához, ahol egy termék gyártásából sok terméket előállító ipar fejlődött, a biomassza feldolgozása is előnyét látná az ilyen stratégiának. A biomassza „finomítói” feldolgozása különféle hasznos termékek (üzemanyagok, vegyszerek, műanyagok, villamos energia) egész sorát eredményezné, és a biofinomító hője együtt adnák a betáplált biomassza komplex hasznosítását, maximális gazdaságosság mellett.
E) Geotermikus energia Geotermikus erőforrások: a gőz, a forró víz, a forró száraz kő, a láva és a Föld mélyének környezeti hője. A gőzt és forró vizet erőművi célokra már jó ideje hasznosítják, a föld mélységi környezeti hőjét hőszivattyúkkal kivonva kiterjedten alkalmazzák; más energiaforrások felhasználási lehetőségeit kutatják. Kutatási központok törekednek olyan megoldások kidolgozására, amivel a költségeket csökkentik, módszereket fejlesztenek a tartalékok felfedezésére és hasznosítására. A kaliforniai Geysers gőzerőmű a legrégibb és legnagyobb geotermikus erőmű a világon, kapacitása 2000 MW. Forróvizes erőművek számos helyen épültek a világon, és a világ geotermikus alapú villamosenergia-termelésének javát adják. Az USA a geotermikus erőművi kapacitása kb. 2800 MW; ez elegendő energia 3 millió ember szükségleteinek kielégítéséhez, 0,05…0,08 USD/kWh költséggel. A geotermikus forrásból származó forró vizet közvetlenül felhasználják ipari folyamatokban, épületek fűtéséhez és gabona szárításához. Az USA termálvíz-hőkapacitása 500 MW-nak felel meg. Számos fejlődő ország rendelkezik geotermikus energiaforrással, és folyamatosan jelen van a berendezések vonzó piacán. A geotermikus hőszivattyúk ugyan nem termelnek áramot, de hőcserélők révén hőenergiát adva, csökkentik a villamosenergia-fogyasztást. A föld állandó hőmérséklete már néhány láb mélységben alkalmas a külső szellőztető levegő fűtésére, ill. nyári időszakban hűtésére. A geotermikus hőszivattyúk piaca igen gyorsan fejlődik, és – a várakozások szerint – rövid időn belül 400 000 dbot ér el az évente ilyen berendezésekkel felszerelt otthonok és üzleti épületek száma. F) Fókuszált napenergia és az ún. „napépületek” A fókuszált napenergia-rendszerek, vagy ahogy néha nevezik „szolártermál” rendszerek több célra használják a Nap hőjét; villamosenergiatermelésre, vízmelegítésre mind ipari, mind háztartási célokra, vagy közösségi uszodákhoz, épületek szellőztető levegőjének előfűtésére, ill. épületek belső terének közvetlen fűtésére. Kaliforniában az 1980-as évek közepétől fókuszáló napenergia-erőmű működik, amelyek összkapacitása 354 MW. Ezek a rendszerek jól tükröző parabolikus görbületű lemezsorokat tartalmaznak, amelyek mindegyike fókuszálhatóan állítható a napsugárzás irányába, és ezek veszik körül a hőelnyelő folyadékot tartalmazó csövet. Az így felhevített folyadékot használják a villamosenergia-termelésre. A földgáz-tüzelésű turbinával kombináltan kiegészített, szabályozott parabolikus lemezsorokat tartalmazó naperőmű által termelt villamos energia költsége 0,09 USD/kWh.
A fókuszált sugaras naperőmű-megoldásokat tekintve, két másik változat is gyakori: az „energiatornyok”, és a Stirling-motoros kivitel. Az energiatornyok nagy mennyiségű villamos energiát termelnek: a magas tornyok hőközlő folyadékkal vannak töltve, és a torony nagyszámú tükörmező fókuszában nyeli el a koncentrált napsugarakat. Ezt a technológiát a DOE „Solar I.” és „Solar II.” projektjeiben, Barston közelében kivitelezte. A Stirling-motoros egységek egy sor kis tükröt alkalmaznak egy gázt tartalmazó nyomásálló tartályra fókuszálva, a benne lévő gáz hevítésére.∗ Az említett DOE projektben létesített naperőmű 5–50 kW áramot termel hálózatra, vagy önálló felhasználási célra. Az USA délnyugati részén vizsgálják ezeknek a Stirling-motoros rendszereknek a villamos energetikai alkalmazási lehetőségeit, kiegészítő kapacitások létrehozása érdekében, költséges hagyományos erőművek építése helyett. Széles körben elterjedt „napház”-technológia a vízmelegítés napenergiával. Ennek megbízhatósága az 1970-es évek óta jelentősen javult. A Napenergetikai Ipari Szövetség tájékoztatása szerint több mint 200 000 iroda és 100 000 uszoda az USA-ban naphőrendszert használ, csökkentve ezzel energiaszámláját. A síklemez kollektorokat lakóépületeknél használják, míg a nagyobb költséget jelentő parabolikus lemezcsatornás rendszereket, amelyek lehetővé teszik nagyobb mennyiségű víz felmelegítését, kórházi mosodák, intézményi konyhák, uszodák és ipari technológiák használják. A Nap hőjét lehet az épületek szellőzésére a levegő előmelegítésére használni, a hűtés párologtató kollektorát a déli fekvésű külső falra szerelni. Kereskedelmi forgalomban ma már kapható és szerelhető ilyen rendszerek energiaköltsége 0,02 USD/kWh. G) Hidrogén és a tüzelőanyag-elemek Hidrogént ma korlátozott mértékben és meghatározott célokra földgázból állítanak elő, de lehet megújítható forrásból is nyerni belőle; ígéretesen, hosszú távon a globális energiaellátás jelentős résztvevője lehet. A hidrogén a Világegyetem leggyakrabban előforduló eleme, a legegyszerűbb kémiai tüzelőanyag, nagy hatékonyságú, tökéletesen elégethető energiahordozó. Potenciálisan a közlekedési eszközök nulla szennyezőanyag-kibocsátású üzemanyaga, biztosítja ipari folyamatok hőigényét, kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés esetén lehetővé teszi az otthonok fűtését és központi vagy helyi megvalósításban villamos energia egyidejű termelését. A kutatások ezen a téren főként a költségek csökkentését, az energiatermelés hatásfokának elemzését, biztonságos tárolási és szállítási technológiák kialakítását célozzák. Mind a termelési, mind a szállítási technológiák terén nagy áttörés várható. Kutatók megkétszerezték a vízből végzett hidrogén-
∗
A Stirling-motor olyan, gázzal töltött nyomás alatti edény, amely hevítésre a gáz térfogati munkáját hasznosítja villamosenergia-termelésre. (A fordító megjegyzése.)
előállítás korábbi hatékonyságát, és létrehozták a jelentős előnyöket nyújtó ún. „nanocsövecskés” tárolási technológiát.∗ A tüzelőanyag-elemek biztonságos és hatékony erőforrásokat ígérnek mind a közlekedési eszközök energiaellátására, mind a villamosenergiatermelésben. A hidrogén (képződhet földgázból, alkoholból vagy más forrásból) a tüzelőanyag-elemben közvetlenül villamos energiát fejleszt, vegyi átalakulással, elégetés nélkül. Foszforsavas tüzelőanyag-elemek ma már kereskedelmi forgalomban kaphatók, és villamosenergia-termelő kapacitásuk 200 kW, ára 3 USD/W, földgázt használnak hidrogénforrásnak. Nátrium-karbonát olvadékkal üzemelő tüzelőanyag-cellát is bemutattak már, nagyobb kapacitással (2 MW). Nagyobb gyártók bemutattak szilárd oxid tüzelőanyag-elemeket mint potenciális kogenerációs berendezéseket üzletházak és többcsaládos lakóépületek számára. Jelenleg metanolból előállított hidrogént használó protoncserés membráncellák fejlesztése folyamatban van, mind közlekedési/szállítási, mind villamosenergia-előállítási alkalmazásokra. Annak ellenére, hogy a NASA űrkutatási célokra már rutinszerűen alkalmaz hidrogénes tüzelőanyag-elemeket, a kontinensen való felhasználás még gyerekcipőben jár. A hidrogén még nem gazdaságos termelése és az alkalmas tárolási módszerek hiánya az elterjedésének két legnagyobb akadálya, különösen a közlekedési/szállítási szektorban. A kutatási célkitűzések közül különös jelentőségűek azok a technológiai fejlesztések, amelyek a hidrogén termelésében a napenergia, ill. egyéb olyan megújítható energiaforrások felhasználását célozzák meg, mint a biomassza. Kiemelt kutatási téma a hidrogén tárolásának olcsó megoldása, csekély tárolóközeg-tömeggel, mind az ipar, mind a közlekedés számára. Ilyen megoldás pl. a karbon nanocsövecskék vagy fémhidridek alkalmazása. E fejlesztések eredménye teszi majd lehetővé a hidrogénre alapozott energetikai technológiák világméretű elterjedését. H) „Kihelyezett energiatermelés” A „kihelyezett energiatermelés” a villamos energiatermelésnek olyan változata, amikor helyben viszonylag kis kapacitásokat telepítenek (néhány kW-tól 10 MW-ig) a fogyasztó közelében. Ezek üzemelhetnek a hálózatra rákötve, vagy attól függetlenül; céljuk a távvezeték szükségességének kiküszöbölése, azáltal, hogy nem távoli központi erőműből látják el a fogyasztókat, hanem milliónyi kis nyitott rendszerrel. A „kihelyezett erőművek” otthonokat és irodákat látnak el energiával, amelyhez alkalmazott technológiák lehetnek; tüzelőanyag-elemek, fotoelektromos rendszerek, szélturbinák, biomassza-alapú generátorok, „mikroturbinák”, motor/generátor kombinációk, valamint áramtároló (akkumulátor) rendszerek. Villamosenergia-feleslegüket eladhatják a hálózatra „hozzáadott kapacitásként”, vagy hiány esetén a fogyasztó a helyi hálózatról vételezhet áramot. ∗
Szubmikroszkópikus kapilláris szerkezetek, nagy felületekkel. (A fordító megjegyzése.)
A „kihelyezett energiarendszerek” előnye a megbízható szolgáltatás és minőség, továbbá az energiafelhasználás nagyobb hatékonysága, mivel elmarad a központi energiarendszer és a távvezeték vesztesége. Egy-egy kiemelt fontosságú intézmény áramkiesés esetére rendelkezik tartalék generátorral, ill. megszakításmentes áramellátással. Egyre több fogyasztó igényli a megszakításmentes áramszolgáltatást. A „kihelyezett erőmű” alkalmazása megközelíti ennek az igénynek a kielégítését. Azonban jelentős akadályokba ütközik a „kihelyezett energia” alkalmazásának elterjedése. A fő akadály a hálózati összekötés elveinek tisztázatlansága, ill. helyenkénti eltérő értelmezése. Az IEEE vezetésével megegyezéses alapon folyik az általános előírás kidolgozása. Ennek a szabványelőírásnak az elfogadása után az USA egész területén biztosítva lesz a „kihelyezett” villamosenergia-termelés megbízható működése hálózatra kapcsolással. Ha a szabvány bevezetéséhez szükséges vizsgálatokat elvégezték, a „kihelyezett energiarendszerek” szerelése és működtetése akadálytalanul folyhat. A megújuló energiákra vonatkozó jelenlegi trendek és megállapítások Az eljárásokról szóló szakmai viták egyértelműen jelzik, hogy a fejlődést jelentősen befolyásolják a folyamatosan jelentkező fejlesztési eredmények és az információs technológiák alkalmazása. A megújuló energiára alapozó technológiákról szóló értékes információk bárki számára elérhetők az interneten. A megújuló energiák ára reális időn belül versenyképes lesz, komplex berendezések, műszerek fogják ellenőrizni az épületek energiafelhasználását, amelyeket már laboratóriumokban modelleznek. Ez is gyorsítani fogja a technológiai fejlődést. Az utóbbi 20 év fejlődése ellenére a megújuló energiából származó villamos energia változatlanul jóval drágább, mint a fosszilis tüzelőanyagokból nyert villamos energia. A 2. táblázat áttekintést ad a gazdaságilag potenciálisan alkalmazható rendszerek költségeiről. Bár nehézséget jelent az összehasonlítás a hagyományos rendszerekkel nyert villamosenergia-költségekkel – számításon kívül hagyva az alkalmazás növekvő járulékos költségeit –, meg kell jegyezni, hogy az USA-ban a villamos energia átlagos ára 0,07 USD/kWh, amely ma még olcsóbb a megújuló energiaforrásból származóénál. Tény, hogy a megújuló forrásból származó villamos és hőenergia olcsóbb lesz a fosszilis tüzelőanyagokra alapozottnál, figyelembe véve azokat a járulékos költségeket, amelyek a környezetvédelem, az egészségügy és az energiabiztonság oldalairól merülnek fel. Igaz, hogy a társadalom nehezen fogadja el, hogy ezek a „rejtett költségek” beépüljenek az energia árszerkezetébe, és közvetlenül növeljék azok árát. 2. táblázat Gazdaságilag potenciálisan alkalmazható megújuló forrásra épülő villamosenergia-rendszerek az USA-ban
Energiaforrás
Alkalmazás, ill. technológia
A jelenleg alkalmazott típusnál költség 10–2 USD/kWh
A következő Hálózatra generáció kapcsolt termelő típusánál költség kapacitás –2 10 USD/kWh MW; 1998
Fotoelektromos
minden típus
20–30
15 alatt
10
Központi naperőmű
Stirling-motorral lemezcsatorna kollektorral „torony”-erőművel
10–15 10–12 6– 9
4–6 7–9 3–5
0 354 0
Bioenergia
közvetlen elégetés együttes elégetés elgázosítás
7–15 2– 3 8–10
4–6 2–3 4–5
7500 500 0
Szélenergia
minden típus
4– 6
2–4
2500
Geotermikus energia
gőz és forró víz
5– 8
3–5
3000
A „rejtett költségek” egyelőre nem jelentkeznek a villamos energia árában, és az amerikai közvélemény támogatása nem csökken a megújuló energiák alkalmazása iránt. A közvélemény alakulásának elmúlt 18 évi történetét vizsgálva, megállapítható, hogy a közösség nagy hányada inkább választja a megújuló energiát és az energiahatékonyságot, mint más alternatívát, és kifejezett vágya, hogy a nemzeti program megvalósuljon és érvényesüljön a „tiszta energiák” fejlesztése, valamint a megújuló energiák felhasználásának növekedése. Az USA-ban több mint egy tucat megújulóenergia-alkalmazási módot és Európában még többet ajánlanak a „zöldek” a marketing-kampányokban részt vevő fogyasztóknak. A „zöldek” hatékony nyomást gyakorolnak a megújuló források alkalmazása érdekében, ezzel csökkentve a környezeti szennyezések veszélyét, enyhülést és gyors regenerálódást biztosítva a környezetnek. Az ipari világ – és annak részeként az USA – gyors változás korszakát éli a villamosenergia-ipar szerkezetét illetően. Követve a repülőgépipar és a távközlés cégeinek tapasztalatait, a villamosenergia-ipar monopóliumainak szabályozásában is engedik érvényesülni a piac irányító szerepét. A megújuló energiák az amerikai piacra való behatolását tekintve beruházási szempontból több nehézséggel kell számolni; mindenekelőtt az új technológiáknál több bizonytalanság adódik, nagyobb a kockázati tényező, ugyanakkor a bevezetés kezdeti költségei kétségtelenül nagyobbak. Az USA-ban politikai eszközökkel szükséges támogatni a megújuló forrásokra alapozott villamosenergia-termelést. Pl. kötelezik a villamosenergia-ellátó vállalatokat, hogy megújuló forrásokból is szolgáltassanak, vagy más termelőktől kreditpontokat vásároljanak. Az USA energiapiacának változását jelzik azok a viták, amelyek számos részpiacon jelentkeznek a megújuló villamos energia tárolása, vagy a kihelyezett termelés pozíciója ügyeiben, és amelyek a központi piac megállapodásaitól eltérő módon rendezhetők. Annak ellenére, hogy a központi kézben levő nagy,
fosszilis tüzelőanyagokkal és az atomenergiával működő erőművek 30 évesek, ezek adják az USA villamosenergia-fogyasztásának 87%-át. A Villamos Energia Kutató Intézet által készített tanulmány szerint a 2000. évtől megkezdődött a kihelyezett piacok megjelenése. Az 5. ábra jelzi a következő 20 év energiaellátása igénynövekedésének megfelelő pótlását, az új kapacitásokkal. A megújuló energiaforrásokra alapozott villamosenergia-termelés versenyképes lesz. A szakaszosan (megszakításokkal) működő megújuló villamosenergiarendszereket (szélturbinák, fotoelektromos és naphőerőművek) ki lehet egészíteni akkumulátorokkal, vagy egyéb áramtárolás megoldásokkal. 120 a termelésből kivont kapacitás új kapacitások
100
80
GW 60
40
20
0 1996-2000
2001-2005
2006-2010
2011-2015
2016-2020
5. ábra Az újonnan belépő villamosenergia-kapacitások a megújuló energia lehetséges jelenlétével Nem a villamosenergia-ipar az egyedüli terület, ahol kihívások jelentkeznek, a közlekedési/szállítási szektornak is – folyamatosan növekvő igénye folytán – nagy kihívásnak kell megfelelnie, mind az energiaigények, mind a környezeti hatások tekintetében. Az USA teljes szállítási szektora 97%-ban megmaradt a kőolaj alapú üzemanyag függőségében, és az ország kőolajfogyasztásának 2/3-részét képviseli. Ami a kőolajellátást illeti, Amerika 55%-ban más országoktól függ, és a DOE szerint ez az arány a következő 20 évben 70%-ra nő. Meddig várható a világ megfelelő ellátottsága ebben a vonatkozásban? Számos előrejelzés 50 évre becsüli a található és megfelelően kiaknázható kőolajkészletet; amerikai tudósok szerint az „olcsó olaj” vége hamarabb bekövetkezik. Ennek ellenére az árak (speciálisan az USA-ban) alacsonyak, és komoly nehézséget okoznak a bioetanolnak, biodízelnek, hidrogénnek, megújuló energiával működő tüzelőanyag-elemnek és más szállítási üzemanyagnak a versenyképességében.
Legtöbb megújuló üzemanyaghoz hasonlóan, a biomassza-alapú energia költsége is függ a betáplált alapanyagtól. Ennek megfelelően kulcskérdés a betáplált biomassza elérhetősége és ára, mind a gazdaságosság megítélésében, mind technológiai feltételekben. A biomassza mezőgazdasági és ipari forrásai, valamint a városi hulladék jelenleg még alig kihasznált. Azonban ha ezek az új technológiák piaci áttörést érnek el, a források gyors kimerülésével lehet számolni. Hosszú távú megoldások lehetnek az energiát adó növényeket termesztő farmok, gyorsan növő fafajtákkal telepített erdők létesítése, mellettük hőt és energiát termelő üzemekkel, amelyek akár elégetés, akár elgázosítás, akár fermentációs technológiákkal dolgozhatnak. Bár az energiát adó növények termesztése számos előnyt jelent a farmer számára és a vidék fejlesztésében, de számolni kell azzal, hogy ez számos változást igényel a mezőgazdaságban. A fejlődő országok energiaigényének növekedése lényegesen gyorsabb, mint a már iparosodottaké volt az elmúlt 20 évben; különösen Kínáé és Indiáé, valamint más növekvő gazdaságé Ázsiában. Nemzetek keresik a függetlenné válás lehetőségét, saját energiaforrásaik és saját energiainfrastruktúrájuk fejlesztését előtérbe helyezve. Kevés nemzet ellenőrzi feltétlen kritikusan a foszszilis tüzelőanyagra alapozott energiarendszerét. A fejlődő országok ilyen okokból kevésbé veszik figyelembe a környezeti problémákat, amikor hagyományos energiarendszereket létesítenek! Nemzetközi vezető intézményeknek, mint a Világbank felelőssége olyan programokat kezdeményezni, amelyek ösztönzik a környezetkímélő energiatechnológiák pl. a megújuló energiára alapozott rendszerek elterjedését. A megújuló energia világméretű elterjedt alkalmazásának jövőbeni hatásai Az emberi civilizáció hajnalán használt energiaforrások alapvetően az emberi és állati izomerő és a fa volt, és kevésbé a nap-, szél-, a víz- és a geotermikus energia. A kőolaj felfedezése, a földgázmezők fejlesztése, valamint a szénerőművek által világméretben termelt ás távvezetéken továbbított villamos energia – amelyet központi erőművekben állítottak elő –, azt eredményezte, hogy a fosszilis tüzelőanyagok domináns energiaforrásokká váltak világszerte. Felmerül a kérdés, hogy a jövőbeni energiafelhasználásban áll-e előttünk hasonló átalakulás? Fenn tudják-e tartani a megújuló energiaforrások a korábbi civilizációt, megfelelő hatékonyságot és alkalmazhatóságot felmutatva? Fedezhető-e a társadalom nagyobb energiaszükségletének költsége? Bár minden jóslásnak kockázatai vannak, mégis számos mai trend érdekes lehetőségeket enged feltételezni. Összegezve a mai trendeket, a következők állapíthatók meg: – kiemelkedő tudományos és műszaki haladásnak lehetünk tanúi, – kialakulóban a villamosenergia-szektor új gazdasági szerkezete, – elmozdulás van a villamosenergia-termelés decentralizációja és a változások irányába,
– hatást gyakorol az információs technológiák és a távközlés robbanásszerű fejlődése, – globalizálódnak a piacok, – kitartó és átütő küzdelem alakult ki a tiszta környezetért, – az olcsó fosszilis tüzelőanyagok beszerzésének a jövőben várhatóan korlátai lesznek. Ezek a trendek arra utalnak, hogy küszöbön áll az új energiaátállás – a fosszilis tüzelőanyagokról a megújuló forrásokra. Számos független intézmény bocsátott ki ismertetést a várható változásokról, mindegyik jelzi, hogy a megújuló energia jelentős szerepet fog játszani a világ energiafelhasználásában, növekvő hatása már először a 2000–2010 időszakban mutatkozik, majd jelentős hatása 2050-től érvényesül (2050-ben becslés szerint 30–50%-kal részesedik a világ energiatermeléséből). Nem belemerülve abba a kérdésbe, hogy mikor lesz képes az emberiség jelentős részarányban az összes enegiafelhasználáson belül megújuló energiát alkalmazni, de elfogadva az átalakulás szükségességét, célszerű megvizsgálni, milyen hatást gyakorol az a világra? Négy olyan terület, amelynek az emberekre gyakorolt közvetlen hatása jelentős: 1. a vidéki gazdaság helyzetére gyakorolt hatás (az USA példáján bemutatva), 2. hatás a közösségek terveire és életstílusára, 3. hatás a nemzetközi társadalmi–gazdasági viszonyok méltányos kiegyenlítődésére, 4. hatás a környezetre. 1. Az USA vidéki gazdaságainak helyzetére gyakorolt hatás A vidék gazdasága az USA-ban folyamatos változás és bizonytalanság állapotában van. A tipikusan modern farmok egy vagy két termék nagybani termelésére összpontosítanak (pl. gabona, szójabab, tej vagy a marha). A tiszta jövedelem nagyban függ a piaci igényektől, az időjárási viszonyoktól és számos egyéb tényezőtől. Kiegészítő jelleggel termesztenek növényeket speciálisan energianyerés céljaira, pl. jegenyefákat. Ezekkel a növényekkel az amerikai farmer gazdasági lehetőségei bővülnek, rugalmasságot és nagyobb változatosságot jelent a növénytermesztésben, a farmok gazdasági stabilitása növekszik. Célszerű és gazdaságos ilyen tüzelőanyagra erőművet vagy fűtőberendezést helyben, vagy a biomasszaforráshoz közel építeni. A biomasszahasznosítás olyan szakmai munkát is „helybe hoz”, amely nem kapcsolódik a szokásos mezőgazdasági tevékenységekhez. 2. Hatás a közösségek terveire és életstílusára A vidéki közösségek életvitele jelentősen meg fog változni a megújuló energia felhasználásának jövőbeni növekedésével. A városi és elővárosi közösségek is két fő változás következményével találják magukat szembe; a vil
lamos energia szerkezetváltozása, és a villamos energia fogyasztóhoz eljuttatásának módja. A „kihelyezett energiatermelés” elterjedése megnöveli az emberek választási lehetőségeit abban, hogy hálózatról igénylik-e az ellátást, vagy akár saját ingatlanukon, épületükben telepítenek áramtermelő berendezést (megújuló forrásra alapozva), vagy akár helyi kis összekapcsolt hálózatokat létesítenek, „mikroturbinák”, tüzelőanyag-elemek alkalmazásával. Növekszik a geotermikus hőszivattyúk alkalmazása és a víz melegítésére, fűtésére és a szellőztető levegő előmelegítésére alkalmazott napkollektorok már megszokott megoldássá válnak. A legnagyobb építőipari vállalatok különböző megoldásokkal csökkentik az épületek energiaigényét, olyan épületgépészeti tervezést megvalósítva, amely az épület összes energiaszükségletét optimálja, és ugyanakkor nem okoz tetemes növekedést az építési költségekben. Az információtechnika folyamatellenőrzési lehetőségei biztosítják, hogy a fogyasztó a lehető legkisebb árat fizesse a villamos energiáért. A felsorolt fejlesztések együttesen az „intelligens ház” létrehozását célozzák, ahol a felsorolt rendszerek ellenőrzik, ill. optimálják a teljes életvitel energiafelhasználását. A közlekedési eszközök üzemanyag-hasznosítása a mainál háromszornégyszer gazdaságosabb lesz, és a kibocsátott környezetszennyezés lényegesen csökken, vagy megszűnik. Új, könnyű, előnyös anyagszerkezetek, új üzemanyagok, korszerűbb gázturbinák, tüzelőanyag-elemek kifinomult számítógépes integrált ellenőrző rendszerek alkalmazása a jövő fejlődése. Az információs és távközléstechnika alkalmazása segít csökkenteni a naponta megtett távolságokat, a forgalom korszerű irányítása biztosítja a forgalmi torlódások elkerülését. 3. Hatás a nemzetközi társadalmi–gazdasági viszonyok méltányos kiegyenlítődésére Az előzőkben vázolt változások a közösségek életstílusában széles körben visszahatnak és növelik a megújuló energiák felhasználását, különösképpen a fejlődő országokban, ahol 2 Mrd ember ma úgy él, hogy nem jut villamos energiához, nincs hatékony főzési tüzelőanyaga, orvosi ellátásban és oktatásban nem részesül! A nők és gyermekek hosszú órákat töltenek tüzelőgyűjtéssel, vízhordással; ebben a munkában több testi energiát használnak fel, mint a férfiak. A szélturbinák, fotoelektromos panelek, a modul rendszerű biomasszaelgázosítók segítenének ezeken a hátrányos helyzetű embereken, biztosítva számukra a szükséges villamos energia helybeni előállítását. A kicsi és modulszerű eszközök lehetőséget nyitnának a gyártás és javítás elsajátításával munka és vállalkozás végzésére, és ezzel értékes üzleti–gazdasági tapasztalatok szerzésére. Végül és nem utolsó sorban a fejlődő országoknak azért is inkább a megújuló energia, mint a fosszilis tüzelőanyagok használatát kell választaniuk, hogy elkerüljék a környezetszennyezés problémáját, megkíméljék magukat a fejlett ipari világ „pestisétől” és elhárítási költségeitől. Figyelembe véve a fel
sorolt előnyöket, gazdasági lehetőségeket, várható e technológiák világméretű gyors elterjedése. 4. Hatások a környezetre Az energiatermelés világszerte nagyobb környezeti károkat okoz, mint bármely más gazdasági tevékenység. Annak ellenére, hogy az USA az 1970es évektől hatalmas fejlődést mutat a környezetvédelem terén, jelenleg is az erőművek felelősek a kibocsátott kén-dioxid 72%-áért és a nitrogén-oxidok 33%-áért. A közegészségügy súlyos problémákkal küszködik, a villamosenergia-termelés okozta légszennyezések miatt. Az energiaigény gyors növekedése, és ugyanakkor a környezet tisztaságának fenntartása olyan szembenálló követelmények, amelyeket csak a „tiszta energiák” alkalmazásával lehet teljesíteni! A magasabb olajárak és a biztonsági követelmények meg fogják követelni az áttérést az kőolajalapú tüzelőanyagokról a megújuló energiaforrásokra. (Szentpály Tibor) Stanley, R. B.: Renewable energy today and tommorrow. = Proceeding of the IEEE, 89. k. 8. sz. 2001. p. 1216–1226. Bockey, D.: Biodiesel versus Pflanzenöl. = Sonne, Wind und Wärme, 2002. p. 22–23. Stryi-Hipp, G.: Trend zum Solardach. = Sanitär-, Heizungs-, Klima und Klempnertechnik, 57. k. 9. sz. 2002. máj. 1. p. 40.
