Megújuló energia források Magyarországon
Az elmúlt évtizedekben egyre világosabban körvonalazódott, hogy az emberiség környezetszennyezı és energiapazarló életvitele hosszú távon a természeti erıforrások kimerüléséhez, ökológiai katasztrófához vezethet A fosszilis energiahordozók környezetszennyezı használata helyett inkább az alternatív energiaforrások kerülnek elıtérbe A megújuló energiaforrások használata nem old meg minden környezetszennyezési problémát, de segít egy környezetbarát, fenntartható energiagazdaság megteremtésében
Megújuló energiaforrás: természeti folyamatok során folyamatosan rendelkezésre áll, vagy újratermelıdik (nap-, szél-, vízenergia, biomassza, hidrogén, geotermikus energia, a tengerek ár-apály, hullám- és hıenergiája).
Fosszilis tüzelıanyagok válsága Használatuk a korlátozott mennyiség miatt nem alkalmas arra, hogy egy fenntartható energiagazdaság rájuk épüljön. Megoldás: megújuló energiaforrások hasznosítására áttérés, amely a megvalósításhoz átmeneti energiaforrást igényel: földgáz - elegendı mennyiségben áll rendelkezésre, -nemcsak nagyobb mennyiségben van, mint a kıolaj, hanem több helyen fordul elı és kevésbé környezetszennyezı. - 1970-es évek olajválságai: egyéb energiaforrások felé történı elmozdulás - A nyolcvanas évektıl egyre növekvı környezeti károk – amelyek a fosszilis energiahordozók fokozott használatának köszönhetıek – kerültek a figyelem középpontjába - 1975 és 1990 között a szén-dioxid kibocsátás több, mint kétszeresére emelkedett - Ma a világ összes fosszilis energiahordozó felhasználásának 28%-a esik a Harmadik Világra, az 1970-es 18%-hoz képest.
Hazai viszonylatban az összes megújuló energiafelhasználás 72,5%-át a tüzifa teszi ki. A geotermikus 10,3%-ot, a vízenergia 1,9%-ot, a növényi és egyéb szilárd hulladékok 10,9%-ot, a hasznosított napenergia 0,15%-ot ad az összesbe. A szeméttelepi biogázból, a települési szennyvizekbıl nyert biogázból és a kommunális szemétégetésbıl 2,75% származik. Magyarországon a megújuló energiahordozókat hasznosító technológiák fejlesztése a felhasználás bıvítése, az elterjesztés gyorsítása a kormány feladata: törvényi elıírásokkal kedvezı pályázati lehetıségek megteremtésével megfelelı támogatási rendszerrel adó visszaigénylési lehetıségekkel tudatformálással reális átvételi kötelezettségek és árak elıírásával
A megújulók középtávú felhasználása szempontjából irányadó: 1997. novemberében az EU Bizottság által kiadott Energia a Jövıért – Megújuló energiaforrások c. "Fehér Könyv": - a megújuló energiaforrások használatának - 2010-re az EU-ban kívánt 12 %os értékre - növelése kizárólag piaci alapokon nem biztosítható az összenergia felhasználáson belül, ezért támogatási lehetıségeket biztosít a megújuló energiaforrások elterjedésének segítése érdekében. Magyarországon a termelt villamos energia 0,5%-át állítják elı megújuló energiaforrásból és optimista becslések szerint sem érheti el az 5%-ot 2010-re. A 2001/77/EC direktíva elıírja az EU15 tagállamai számára, hogy 2010-re a jelenlegi 13,9%-os EU átlag helyett, összesen 22,1%-os részesedése legyen a megújuló energiaforrásból termelt villamos energiának. A következı tíz évre tagállami szintre is lebontották a célt: - pl. Ausztria villamos energia termelésének 78,1%-a, Svédországénak 60%-a, Spanyolországénak 29,4%-a, Németországénak 12,5%-a, Luxemburgénak 5,7%-a kell, hogy megújuló forrásból keletkezzen.
Feladataink A megújuló energiaforrások felhasználásának alakulása 2001-ben
Megújuló energia Villamosenergia-termelés GWh TJ/év fajtája Vízenergia 186 670 Szélenergia 1,5 5,4 Geotermia Napkollektor Fotovillamos 0,06 0,3 Tüzifa Egyéb szilárd hulladék 3 000 Szeméttelepi biogáz 2 7,2 Települési szennyvíz gáz 7 25,2 Hıszivattyú Egyéb növényi hull. Szemétégetés 86 310
Hıhasznosítás TJ/év
3 600 56 24 000 12 120 40 4 869 480
Olaj
Gáz
Szén Egyéb Nukleáris Vízenergia
A magyar energiafelhasználás szerkezete 1973-2020 között (egyéb: geotermikus, nap, szél, éghetı megújulók és hulladék)
A 2010-es várható villamos energia fogyasztást alapul véve, 1600 GWh villamos energiát kell megújul alapon termelni. Magyarországon 2001-ben a villamos energia felhasználás 39,5 TWh volt, ebbıl a megújulóból termelt áram 300 GWh. /Ezres nagyságrend/ A megújulóból termelt áram aránya a bruttó felhasználáson belül 0,8 %. Mindannyian tudjuk, hogy sem vízenergia, sem szélenergia, sem pedig geotermikus energia alapon nem lehet jelentıs növekedést elérni. Pl.: 150 kulcsi mérető (600 kW teljesítményő) szélturbina letelepítésével lehetne megduplázni a jelenlegi 0,5 %-ot, vagy egy 50 MW villamos teljesítményő szemétégetı mő a 2010-ben elvárt megújuló áramtermelés 20 %-át tudná fedezni.
A jelenleg meglévı kapacitások által termelt áramot is figyelembe véve a következı területeken lehet növelni a megújuló energiaforrásokból származó villamos energia termelését: - napenergia áramtermelésre alkalmas, fotovillamos panelek segítségével - meglévı vízerımővek (Kisköre, Tiszalök, Kesznyéten) beépített kapacitása 37,5 MW, a kihasználás évi átlag kapacitása 20 MW körül van, a kis vízerımővek (Ikervár, Nyugati törpék, Gibárt, Felsıdobsza, Keleti törpék) évi átlagkapacitása 1,8 MW - vízenergia területén elırelépési lehetıség a kis vízerımővek felújítás utáni újraindítása, illetve újak építése - a vízerımővek hőtırendszeri elfolyó, hasznosított vizének energia célú tovább hasznosítása /Ezekkel a jelenlegi vízenergián alapuló áramtermelést 30 %-kal lehetne növelni/
- szélenergia hasznosítása kezdeti szakaszban van 2001. végéig négy villamos energia termelésére alkalmas szélturbina készült el (Kulcs, Inota, Mosonszolnok) és környezetbarát módon termel áramot Számítások alapján 20-50 MW teljesítmény tartományba lehet szélerımő parkokat létesíteni. A termelhetı villamos energia évente 20-52 GWh. - A Budapesti Szemétégetımőben földgáz támasztólánggal égetik el a válogatatlan kommunális hulladékot. A válogatott hulladék égetésére alkalmas öt darab, az OHT-ben rögzített regionális hulladékégetı erımővek áramtermelése elérheti a 400 GWh/év - Jelenleg Magyarországon nincs geotermikus alapú áramtermelés.
A geotermikus alapú villamos energia termelése 2010-re évente elérheti a 200300 GWh-t. EU-s elvárások és elıírások miatt a kommunális és állattartási szennyvizek tisztítása elıtérbe kerül és folyamatosan épülnek szennyvíztisztító telepek Jelenleg 7,6 GWh áram termelése és hasznosítása történik biogáz alapon. A 2010-ig megépítendı szennyvíztisztító rendszerekre további biogáz termelı és hasznosító berendezések telepíthetık, ezzel legalább 50 GWh áram termelése valósítható meg. Ezen megoldásokkal évente 550-600 GWh megújuló energiaforrás alapú villamos energia állítható elı. A szükséges eszközök, berendezések, infrastruktúra beruházási igénye 28-30 Mrd Ft.
Ajkai Erımő: elkezdıdtek az apríték tüzelési kísérletek. 21 TJ hıértékő tüzelıanyagból 1,4 GWh megújuló energiaforrás alapú áramot állítottak elı. Pécsett az erımőben tervezési, elıkészítési fázisban van 150 MW hı és 49,9 MW villamos teljesítmény biztosításának faalapú megoldása. Ennek mőködtetéséhez, évente 380e t faalapú biomassza biztosítása szükséges. Az EU elvárás teljesítéséhez 1-1,3 millió tonna biomassza szükséges, jelentıs része a meglévı erdıkbıl kitermelhetı, ha nem, akkor mintegy százezer hektáron – a gabonatermı területekbıl ugaroltatásra ítélt termıföld egy részén - gyors növekedéső energiaültetvénybıl biztosítható.
A sugárzás megoszlása a Földre érkezve
A napenergia kutatása - görög történetíró, Xenophón (kr.e. 430-354): "A házak déli oldalát magasabbra kellene építenünk, hogy a téli napot befoghassuk" - Arkhimédész (kr.e. 287-212) napenergiával kapcsolatos kutatása elméleti és gyakorlati eredményeket is hozott - Európában a Nap melegének hasznosítási kérdése: Galilei (1564-1642) feltalálta a lencsét - Az elsı modern napmelegtárolót a svájci természettudós, de Saussure (1740-1799) építette: öt üvegtárcsát helyezett el, az üveglapokat légtér választotta el egymástól. Az üvegrétegek közötti levegı fokozta a hatásfokot. Ezzel a módszerrel 87,5 °C-ot ért el.
- A naperıgépek évszázada a XIX. sz. - Modern naperıgép: Mouchot nevéhez kapcsolódik - 1902-1908: Kaliforniában Willsie és Boyle 4,4 kW és 15 kW teljesítményő naperıgépet készít - Shuman és Boys 1911-ben Philadelphiában naperımő modellt készítettek, két évvel késıbb az egyiptomi Meadiban megvalósították. Ez a 73,6 kW teljesítményő berendezés öntözési célokra: 4200 m2 területő gyapotültetvényt látott el a Nílusból szivattyúzott vízzel. - Az elsı nagy építés, amelynek során szolár-vízmelegítıket szereltek fel, 1939-ben Floridában volt (tervezı: Court). Az UNESCO és az indiai kormány 1954-ben szervezte az elsı nemzetközi konferenciát, amely a nap- és szélenergiával foglalkozott. 1945 és 1959 között építették a legfontosabb, úttörı szolárházakat. Fontos felfedezés a new-yorki Bell-Telephone-Laboratories cég által 1954-ben bemutatott napelem (szolárcella): a napenergiát közvetlenül villamos energiává alakítja át. 1973-ig a napenergia problémája a tudósok kutatási területe volt, azóta a világ közvéleményének érdeklıdési körébe került →Egy kutatási ágból iparág lett.
Napenergia hasznosítás napjainkban Az ember a napenergiát évezredek óta hasznosítja, de a napenergiahasznosítással mőködı, melegítı és elektromos áramot elıállító rendszerek új technológiának tekinthetık, Európában a ’60-as évek vége óta. - passzív napenergia hasznosítás: nem használunk külön berendezést a napenergia felfogására, -aktív napenergia hasznosítás: a napenergia befogására és elvezetésére gépészeti berendezéseket használnak Passzív hasznosítás Az elmúlt évtizedekben Magyarországon nem vették figyelembe a passzív hasznosítási lehetıségeit, következményei: - egyes épületeknél a rossz tájolás és a rosszul méretezett ablakfelületek következtében alacsony a napenergiából befogható energiamennyiség, így magas főtési költség, - vannak épületek, ahol a nyári idıszakban túlmelegedés tapasztalható, hátrányosan érinti a bent tartózkodók komfortérzetét.
A passzív hasznosítás feltételei: - kell napsütés - a napsütésnek el kell érnie a szerkezetet - a szerkezetnek alkalmasnak kell lennie a sugárzás hasznosítására - a hasznosítónak alkalmasnak kell lennie a hı tárolására és a főtendı térbe való közvetítésére A tervezés során: települési szinten az épületek megfelelı tájolhatósága, beépítési távolságok meghatározásánál a benapozás figyelembe vétele, megfelelı árnyékoló növényzet telepítése építményi szinten az épület kedvezı tájolása, hıveszteség minimalizálásnak megfelelı alaprajz, az üvegezett felületek nagyságának optimális méretezése, épületszerkezetek anyagkiválasztása (falak jó hıtároló anyagból)
Aktív napenergia hasznosítás Az aktív rendszerek legfontosabb eleme a napenergia-győjtı szerkezet (elnyelıszerkezet), az ún. napkollektor. A napkollektor a napsugárzást elnyeli és a keletkezett hıt alkalmas munkaközegnek adja át. A legegyszerőbb rendszer: üvegezett hıszigetelt dobozba épített, feketére festett acéllemez, amelyhez fémesen kapcsolódik egy csıkígyó, ebben áramlik a hıhordozó közeg, amelyet a Nap felmelegít. A dobozt fényáteresztı üveg zárja, a hıszigetelésen túl mechanikai védelmet is biztosít. - Vákuumcsöves és síkkollektorok Éghajlati adottságaink mellett a folyadékhordozós síkkollektorok alkalmazhatók. A kollektorok optimális tájolása déli irányú.
- A síkkollektorok a határozott irány nélküli és hazánkban jelentıs szórt sugárzást is hasznosítják, kevéssé érzékenyek. Fı részei: - az elnyelı (abszorber), feladata: magába győjtse a napenergiát, - a lefedı üveg vagy mőanyaglemez, feladata: a napfényt áteresztve szigetelje a kollektort, - a kollektor doboz és a szigetelés, feladata: merevítse, szigetelje, vízmentessé tegye a kollektort. A kollektorok általában 2 m2 körüli felülettel, kb. 1x2 m-es méretben készülnek.
Tárolók Tároló alkalmazása: a napsütés idıtartama általában nem esik egybe a fogyasztás idejével. * hatás szerint: - rövid idejő, általában 24 órára hatásos, - közepes idıtartamú, 1-4 hétre, - hosszú idejő, egész idényre hatásos tároló. * töltet szerint: - folyadék, szilárd, kémiai töltettel: * a folyadék fajhıje nagy, a hı betárolása és hasznosítása egyszerő, adottságaink mellett a felhasználók is fıként meleg vizet igényelnek, az elnyelı szerkezetek nagyobb része folyadék hıhordozóval mőködik. * szilárd töltésnél leggyakrabban az 5-8 cm átmérıjő folyami kavicsot alkalmazzák.
Uszodafőtést ellátó rendszerek Igen jó hatásfokkal mőködnek, a kinti úszómedencék használata egybeesik a legmagasabb napenergiás idıszakkal. Az uszodavíz főtésére az olcsó, lefedés nélküli kollektorokat érdemes használni. Épületek hőtését ellátó rendszerek A legnagyobb hőtési energiára akkor van szükség, amikor a legjobban süt a nap. Mezıgazdasági célokat ellátó rendszerek A mezıgazdaság alapvetı felhasználója a napenergiának, a növények a fotoszintézis során napenergia segítségével állítják elı a szerves anyagokat. Amennyiben a növények által elıállított anyagokat energetikai célra használják (pl.: fa elégetése, vagy repceolaj üzemanyagként), biomassza energiáról beszélünk, amely átalakult és elraktározott napenergia. Szárító és aszaló rendszerek A mezıgazdaságban jól alkalmazható a napenergia a termények szárítására vagy aszalására is.
A napelemek története Becquerel (1839): egy bizonyos réz-oxid világítás hatására elektromos áramot termel Fritts szelénbıl 1880-ban elkészíti az elsı napelemet, azt jósolta, hogy a jövıben a házakat napelemmel fedik be, hogy az elektromos áramot termeljen Az elsı szilíciumból készült napelemet, amelynek kb. 6% volt a hatékonysága, Fuller, Pearson és Chapin készítette 1954-ben 1960-as és 70-es években a napelem technológiában jelentıs fejlıdés, hajtóereje az őrrepülés kutatása, fejlesztése Napjainkban 15% hatásfokú napelemeket gyártanak, laboratóriumokban 20%-nál nagyobb hatásfokú elemek is készültek. Rengeteg termék van, amely energiaigényét napelem segítségével fedezi. (zsebszámológépek, karórák, rádiótelefonok) A napelemek elmélete A napelemek félvezetıkbıl állnak (szelén, amorf szilícium, szilícium kristály, gallium arzenid, réz indiumdiszelin, kadmium tellurid) Mőködése: a fénysugárzás fotonjai a félvezetı elektronjait a kötésbıl kimozdítják. Így elektron-lyuk párok keletkeznek. Ezek, ha ellentétes típusú félvezetı anyag határfelületére érkeznek, kettéválnak. Az n-típusú félvezetıkben elektron többlet, a p-típusúban elektron hiány keletkezik. A félvezetık jól vezetı alaplapra szerelve és a Nap felıli oldalán elektromos vezetı csíkokkal ellátva: a keletkezı energia elvezethetı.
II. SZÉLENERGIA A szél okozta viharok, természeti csapások erejétıl régóta retteg az ember és a szél energiáját régóta igyekszik felhasználni.
Szélenergia-hasznosítás: folyamatosan erıs széljárású területeken, közvetlen munkavégzésre vagy elektromos energia elıállítására kialakított szélerıgéppel történik. A szelet elıbb használták a vízen, mint szárazföldön. Az elsı szélmalom Perzsiában. Az elsı megbízható emlék a VII. sz.-ból származik: vízemelésre, gabonaırlésre használt szerkezet. A XVI.-XVII sz.-ban élte fénykorát a szélmalom ott, ahol a szélre biztosan lehetett számítani (a tengerpartokon). (Hollandia, 1700-as évek 8000 szélmalom 5-10 kW teljesítménnyel) Csak századunkban kezdıdött el a szél, mint villamos energia elıállítására alkalmas energiaforrás felhasználása. A szél teljes mozgási energiáját 100 TW (1 millió MW) teljesítményőre becsülik, ennek csak bizonyos hányadát lehet hasznosítani. Gazdasági megfontolások szerint a szelet ott érdemes kiaknázni, ahol a szélsebesség évi átlaga meghaladja a 4-5 m/s értéket (tengerparton).
BEAUFORT -fok a szélsebességének jellemzésére
Megnevezés
m/s
km/h
Beaufort-fok
Enyhe
1.5-3.6
5.4-12.5
2
Gyenge
3.5-5.5
5.4-19.8
3
Mérsékelt
5.5-8.0
19.8-28.8
4
Heves
8.0-11.0
28.8-40.0
5
Erıs
11.0-14.0
40.0-50.0
6
Igen erıs
14.0-17.0
50.0-61.2
7
Széllökés
17.0-21.0
61.2-75.6
8
Erıs széllökés
21.0-24.0
75.6-86.4
9
Vihar
24.0-29.0
86.4-104
10
Erıs vihar
29.0-33.0
104-119
11
Orkán
33.0-
119-
12
Szélenergia tárolása A szélenergiából szélgenerátorokkal átalakított villamos energiát akkumulátorok töltésére is lehet használni (12-14 V feszültségen). A folyamatos energiabiztosítás érdekében a szélgenerátor napelemekkel is felszerelhetı. A nap és a szél kitőnıen kiegészítik egymást: amikor süt a nap és nem fúj a szél, a napelemek biztosítják az energiát, a téli hónapokban, vagy éjszaka a szélenergia áll rendelkezésre. Nap- és szélenergiával hajtott autó a Pillangó nevő autó a vezetın kívül 2-3 utast tud szállítani tetején három napkollektor van, hátulján egy szélkerék hátsó részben levı akkumulátor folyamatosan töltıdik a nap-, illetve a szélenergia hatására az új autó lassabb az általános benzinhajtású autókkal szemben, végsebessége 45 km/h, de: "Az emberiség 86%-a Ázsiában él. A zsúfoltság és környezetszennyezés óriási probléma. Az átlagos elırejutási sebesség a legtöbb ázsiai nagyvárosban kb. 6 km/h, szemben London 18 km/h-jával".
Dánia szélenergiája — egy ipari sikertörténet Dánia szélenergia tekintetében a világ vezetı államává igyekszik válni. 2030-ig az ország energiafogyasztásának 50%-át szeretnék szélenergiából kinyerni. Ez sok létezı fosszilis energiaforrást fog felváltani. Dániában 4900 szélturbina, az ország teljes energiaszükségletének 7%-át adják. Ez a legmagasabb arány világszerte. 1930-ban több, mint 30 ezer szélmalmot használtak Dániában a farmok gépeinek hajtására és vízkiemelésre. 2030-ra kevesebb mint 4000 korszerő szélturbina adja majd az ország energiaszükségletének felét. Dánia szélenergia-ipara 12 ezer emberrel többet foglalkoztat, mint a halászat. Egy korszerő, 1,5 MW-os szélturbina — a szénerımővekkel összevetve — évente átlagosan 5 000 t szén-dioxid-kibocsátástól védi meg a Föld légkörét, és ezer ember számára termel elegendı energiát. Ma 35 ezer szélturbina mőködik világszerte. Ezeknek több mint a fele Dániában készült.
III. VÍZENERGIA A víz a legrégebbi erıforrás, amit arra használtak, hogy csökkentsék az emberi és állati terhet. Nem tudni biztosan, mikor találták fel a vízikereket, a legrégebbi öntözırendszerek kb. 5 000 évesek. Magyarországon is fontos volt a termények nagyobb hatékonyságú feldolgozása érdekében a korábban használt kézi malmok helyett a vízimalmok használata (két ember kézimalommal 4-7 kg lisztet tudott ırölni óránként, egy átlagos teljesítményő vízimalom 150 kg-ot). Megjelentek a gızgépek, és így a vízenergia felhasználása az 1800-as évek végére háttérbe szorult. A víz energiájának hasznosítása a kezdeti idıben azért volt korlátozott, mert csak helyben tudták felhasználni. A fejlıdésnek lendületet adott a villamos energia termelésének lehetısége - amely az energia nagyobb távolságra való szállítását is biztosította - ill. amikor feltaláltak egy új és sokkal hatékonyabb vízikereket: vízturbina.
Hazánkban a hasznosítható vízerıkészlet-teljesítményt 1060 MW-ra becsülik, 4500 GWh energiatermelésnek felel meg. A mőködı vízerımővek száma 37, összteljesítménye 50 MW, energiatermelésük 177 GWh (ebbıl 90% a Tiszára és mellékfolyóira jut). A földi víz teljes tömegét 1,4 milliárd km3-re becsülik, 97,3%-a az óceánokban található, tekintélyes része részt vesz a nagy körforgásban, átlagos idıtartam 9 nap. A víz pusztító és építı munkát végez: felszíni folyások nemcsak mechanikai munkájukkal pusztítanak, hanem a benne oldott szén-dioxid megtámadja a kızeteket is. A Napból Földre jutó energiamennyiségnek kb. 23 %-a a víz körforgásának fenntartására, ennek 99 %-a a párolgás-lecsapódás átalakulására fordítódik, a megmaradó töredék a földfelszínen mozgó víz helyzeti és mozgási energiája. Állóvizek csak helyzeti és nyomási energiával rendelkeznek, az áramló vizeknél ezek mellett a mozgási energia is megjelenik. Vízenergia ezen energiák összessége.
Becslések szerint a világ hasznosítható vízenergia kapacitása 20 000 TWh. A világon termelt össz vízenergia termelés 2 000 TWh.
Felhasználási lehetıségek A mőszaki kihasználtság lehetısége szoros kapcsolatban van a természetföldrajzi környezettel. A folyókon szakaszjellegeket szoktunk megkülönböztetni, ahol az esésnek megfelelıen a felsı, középsı vagy alsó szakasz jelleg dönti el a vízierı nagyságát. Ahol nagy esésmagasságok vannak, alkalmasak vízerımő építésére: pl. Skandináv félszigeten, Alpokban, Pireneusokban, a Sziklás-hegységben. Az energiahatékonyságot lehet növelni, ha egy könnyen lezárható völgyben, kanyonban völgyzárógátak segítségével megnöveljük a szintkülönbséget, és egyenletessé tudjuk tenni a vízhozamot.
A legnagyobb vízenergia felhasználók Svájc, Olaszország, Norvégia, Svédország és Finnország. Az utóbbi évtizedekben Oroszország, Németország, USA és Dél-Amerikában, Brazíliában, Afrikában létesítettek hatalmas erımőveket. A világ legnagyobb vízienergia-készletével Afrika rendelkezik (Kongó). A vízierımővek egy-egy állam életében igen nagy szerepet játszanak az energiatermelésben, de az ökológiai hatásuk rendkívül negatív, különösen hosszú távon: Ha nem megfelelı az erımő kiépítése, egyes halak nem tudnak eljutni a felsı szakaszokra, hogy ikráikat lerakják, veszélybe kerülhet a faj fennmaradása. A lebegı vízinövények a lelassult folyókon és a víztárolóban elszaporodhatnak, akadályozzák a víz áramlását. Erımő fejlesztési tervek a nagyvilágban Az elkövetkezı években várhatóan Délkelet-Ázsia fejlıdı országaiban, Indiában és Kínában fog leggyorsabban növekedni az új villamosenergia-termelı kapacitás ehhez az ázsiai országokban 1 350 GW új kapacitás kell.
A fejlett európai országokban korlátozott az új villamosenergia-termelı kapacitások iránti igény, inkább a régi, kevéssé hatékony erımővi egységeket cserélik ki korszerő kombinált ciklusú gázturbinás egységekre.
Magyarországi lehetıségek A vízrendszer jellegébıl adódóan alacsony a folyók esése és a világ legalacsonyabb eséső folyói kategóriájába sorolhatóak (Tisza 1 km-en csak 2-3 cm-t esik). Gazdaságossági szempontból az energetikai kihasználásra nem sok remény van, a tervezett erımőveket nem tudták kivitelezni. Megépült a tiszalöki, kiskörei erımő. Bıs-Nagymarosi probléma. Magyarország mőszakilag hasznosítható vízerı-potenciálja kb. 1 000 MW. Megoszlás: Duna 72%, Tisza 10%, Dráva 9%, Rába, Hernád 5%, Egyéb 4%. Teljes hasznosítás esetén kinyerhetı energia 7000-7500 millió kWh évente.
A valóságban: a Dunán nincs villamos energia termelésre szolgáló létesítmény a Tiszalöki és a Kiskörei Vízerımő 11,5 MW és 28 MW teljesítménnyel a Dráván jelenleg nincs erımő a Rábán és a Hernádon, ill. mellékfolyóikon üzemel a hazai törpe vízmővek többsége egyéb vizeken nincs mőködı energiatermelı rendszer
IV. BIOMASSZA ENERGIA Biomassza: biológiai eredető szervesanyag-tömeg egy biocönózisban vagy biomban, a szárazföldön és vízben található élı és elhalt szervezetek testtömege; biotechnológiai iparok termékei; különbözı transzformálók (ember, állatok, feldolgozó iparok stb.) összes biológiai eredető terméke, hulladéka, mellékterméke. Az elsıdleges biomassza a természetes vegetáció, szántóföldi növények, erdı, rét, legelı, kertészeti növények, vízben élı növények. A másodlagos biomassza az állatvilág, gazdasági haszonállatok összessége, az állattenyésztés fı-, melléktermékei, hulladékai. A harmadlagos biomassza a biológiai eredető anyagokat felhasználó iparok termékei, melléktermékei, hulladékai, emberi települések szerves hulladékai.
Az európai agrár ágazatok 1,7 millió t megújuló energiát használnak fel, legnagyobb részben tüzifa és erdészeti, faipari melléktermékek 1,2 millió t mennyiséggel, a szalmát 0,3 millió t közvetlen tüzeléssel hasznosítják. Európában a fa energetikai célú felhasználása évi átlagban 2,3%-os növekedést mutat. Biomassza energiaforrás: - mezıgazdasági termények melléktermékei, hulladékai (szalma, kukorica-szár/csutka, stb.) - energetikai célra termesztett növények (repce, cukorrépa, különbözı fafajok) - állati eredető biomassza (trágya, stb.) - erdıgazdasági és fafeldolgozási melléktermék illetve hulladék (faapríték, nyesedék, forgács, főrészpor, háncs, stb.)
Biomassza, mint energiahordozó: - megújulása a fotoszintézisnek köszönhetı - energiát tárol: a fotoszintézis során a növényekben létrejövı szerves anyagokban kémiai energia formájában raktározódik el a fényenergia - az energetikai hasznosítással nem növeljük a légköri szén-dioxid mennyiségét - elısegíti az ásványkincsek megırzését - kisebb a káros anyag emisszió (CO2, CO, SO2, CxHY) a fosszilis energiahordozókhoz képest - élelmiszer-túltermelés következtében felszabaduló földterületek reális alapot adnak a racionális hasznosításnak - kedvezı hatással van a vidékfejlesztésre, munkahelyteremtésre Hasznosítható: Közvetlenül: tüzeléssel Közvetve: - kémiai átalakítás után (cseppfolyósítás, elgázosítás), folyékony üzemanyagként vagy éghetı gázként - alkohollá erjesztés után üzemanyagként - növényi olajok észterezésével biodízelként - anaerob fermentálás után biogázként
Energetikai célra 6-8 millió t szerves anyag lenne hasznosítható 25-26 millió t mezıgazdasági, és 1-2 millió t erdıgazdasági melléktermékbıl. A hasznosítható biomassza össz energia készlete kb. 1,5-2,0 millió tOE. A szilárd biomassza hasznosítása - talajerı visszapótlásra a növénytermesztésben, az állattartásban, ipari felhasználásban, ill. energiatermelésre - energiatermelésre a gabonaszalma és a fahulladék a legalkalmasabb, a kukorica- és napraforgószár alkalmasabb talajerı visszapótlásra - a gyümölcsfa ültetvényeken keletkezı nyesedék hasznosítására alig kerül sor, energiapazarló és környezetszennyezı módon elégetik Az energetikai célú növénytermesztés irányulhat alternatív motorhajtóanyag-termelésre (alkohol, RME stb.), tüzelıanyag elıállításra (biobrikett, energiaerdı, repceolaj). Akadály: a.) nehéz termelıi-társadalmi elfogadtatás b.) feldolgozó módszerek nehéz beilleszthetısége a meglévı agrártechnológiákba c.) átalakító berendezések kis energetikai hatásfoka d.) átalakítás gyenge energetikai input/output hatékonysága e.) biomassza hasznosításának nagy beruházási igénye
Pellet: 10-25 mm átmérıjő tömörítvény. Biobrikett: 50 mm, vagy nagyobb, kör, négyszög, sokszög tömörítvények. Dugattyús és csigás présekkel állítják elı. Általában kötıanyag felhasználása nélkül készítik. Célszerő a különbözı melléktermékek összekeverése a szilárdság növelése érdekében (szalmabriketthez főrészpor, fenyıfakéreg). Elınyei: a.) főtıértéke a hazai barnaszenekének felel meg (15 500 - 17 200 kJ/kg), de tisztább b.) szén 15-25%-os hamutartalmával szemben csak 1,5-8 % hamut tartalmaz, talajerı visszapótláshoz használható c.) kéntartalma max. 0,1-0,17%, a szén kéntartalmának 15-30-ad része d.) kisebb korom kibocsátás e.) policiklikus aromás szénhidrogének kibocsátásának csökkenése f.) szén-dioxid kibocsátás nullának tekinthetı, az atmoszférába jutó szén-dioxid mennyiséget az elızı évben kötötte meg fotoszintézis során a haszonnövény. A termelés, begyőjtés, elıkészítés, szállítás során van bizonyos mértékő szén-dioxid kibocsátás.
Hátrányai: a.) nagyobb nitrogén-oxid kibocsátás (magasabb hıfokon történı égés következtében) b.) egyelıre nincs rá állami támogatás c.) nedvesség hatására szétesik, de nedvességtıl gondosan elzárt helyen korlátlan ideig tárolható A tüzelıberendezések hazánkban az 1980-as években terjedtek el. Részei: - tüzelıanyag tároló a kitároló szerkezettel, - tüzelıanyag-szállító rendszer, - tüzelıanyag- és levegıadagoló rendszer, - hıcserélı (kazán), - hamu/salak eltávolító berendezés, - füstgáz elvezetés (kémény), - szabályozó és védelmi berendezés.
A folyékony biomassza hasznosítása Magyarországon a magas olajtartalmú növények közül az ıszi káposztarepcének vannak alkalmas ökológiai adottságú területek, nyugaton. Minden feltétel adott, a kinyerhetı repceolaj nemcsak üzemanyagként, hanem kenı-, hidraulika-, tüzelıolajként is hasznosítható. Hasznosítás: a.) motorhajtóanyagként, b.) hidraulika- és fékfolyadékként, c.) kenıolajként, d.) tüzelési célokra, e.) vegyipari és élelmiszer-ipari alapanyagként. Etanol energiatartalma kisebb, mint a benziné, azonos teljesítmény elérése érdekében 25-50%kal többre van szükség (üzemanyagtartálynak nagyobbnak kell lennie). A benzinhez kevert etanollal kedvezı tulajdonságú üzemanyag nyerhetı, nı a keverék oktánszáma és oxigén tartalma, javulnak az égés feltételei. Metanol is alkalmas motorhajtóanyagnak, maximum 15%-ban hajtóanyagokhoz hozzáadható, benzinhez történı keverésnél elegyedési problémák, ezért etilalkoholos, metanolos benzinkeverék készítése szükséges. A repce magja 38-45% olajtartalmú. Németországban hektáronként 3 tonnát tudnak termelni, ez 1,3 t olajat ad.
A növényi olajok hasznosításának hátrányai: a.) nagyobb lobbanáspont (nehezebb gyújtás) b.) nagy viszkozitás (rossz porlaszthatóság) c.) kokszosodási hajlam Javítás: kémiai átalakítással (RME-repceolaj-metilészter). 1 ha repce termésébıl 1 300 l repceolaj, átészterezésébıl 1 375 l RME kapható, melléktermékként 1 774 kg, 30% fehérjetartalmú repcepogácsa nyerhetı, ami takarmányként hasznosítható. A repceolaj-metilészter mellékterméke a glicerin. A vegyileg tisztított glicerin alkalmazása: a.) szilárd főtıanyagnak b.) trágyának (trágyalével keverik) c.) semlegesítéssel tisztítják, majd mikrobás cukrosítással és erjesztéssel, desztillálással etanol nyerhetı. A glicerin származékoké: kozmetikumok, fogkrémek, gyógyszerek, tápanyagok, lakkok, mőanyagok, mőgyanta, dohány, robbanóanyagok készítésében, cellulóz feldolgozásában
A biomassza eredető energiaforrások hasznosításakor törekedni kell: - a melléktermékek, hulladékok hasznosítása keletkezési formájukban történjen a nagyobb költségek elkerülése érdekében, - az eltüzelés elıkészítése a legfontosabb lépéseket tartalmazza, pl. darabolás, bálázás - szállítás ne nagy távolságokra történjen A biogáz hasznosítása A mezıgazdasági termék-elıállítás folyamataiban keletkezı anyagokból gáz halmazállapotú energiahordozók is elıállíthatók. Biogáz: szerves anyagok anaerob bomlásakor, a biomassza zárt térben való elgázosításakor (erjesztés, rothasztás) savtermelı baktériumcsoport közremőködésével fejlıdik. Visszamaradó melléktermék a kirothasztott iszap, szerves trágyaként használják. Elıállítása: növényi fı- és melléktermékekbıl, bármilyen természetes eredető szerves anyagból (szerves trágya, fekália, élelmiszeripari melléktermékek, hulladékok, háztartási hulladékok, kommunális szennyvizek és iszapjaik).
Az intenzív biogáz-termeléshez állandó és kiegyenlített hımérséklet, folyamatos keverés is szükséges. Biogázképzıdés során a szerves vegyületek egyszerőbb vegyületekre bomlanak (savas fázis), szétesnek alkotóelemeikre, metánra (kb. 60-70%) és szén-dioxidra (kb. 3040%) illetve a kiinduló anyagoktól függıen különbözı elemekre (H, N, S stb.) (metanogén fázis). Biogázkinyerı kút: a rendezetten lerakott hulladékrétegbe függılegesen telepített, mőanyagból készített perforált csı, a mélyebb rétegekben keletkezı biogáz kinyerését teszi lehetıvé. Biogáztermelés hulladéklerakón: a települési hulladékokat befogadó lerakóhelyen, anaerob körülmények között végbement biodegradáció, eredménye metánban dús biogáz, a hulladékba elhelyezett gázkinyerı csövekkel termelik ki. A győjtıhálózattal kitermelt biogázt tisztítást követıen energetikai célra hasznosítják. Az eljárást Magyarországon is (pl. Sopron) alkalmazzák. Egy m3 kommunális hulladékból 60-300 m3 biogáz termelhetı. A gáznemő energiahordozók fajtái: - biokémiai (anaerob fermentációs) eljárások eredményeként képzıdı biogáz - termokémiai (pirolitikus, gázosítási) folyamatokban keletkezı gázok
V. HIDROGÉN Színtelen, szagtalan, nem mérgezı gáz. A hidrogén oxigén jelenlétében 550-600 °C-os gyújtóláng vagy szikra hatására elég, közben energia szabadul föl. Az energia mennyisége függ attól, hogy az égéstermék folyadék, vagy gız. 1 kg hidrogénre vonatkoztatva, ha folyadék, 141,97 MJ ill.119,6 MJ, ha gız. Felhasználásának környezeti haszna, hogy ártalmatlan, vízzé ég el (égés közben nitrogén-oxidok is keletkeznek, és amennyiben vízbıl, napenergia segítségével állítják elı, felhasználása alig terheli a környezetet). Hátránya, hogy környezetbarát elıállítása és biztonságos tárolása drága, felhasználásához a szokványos berendezéseket és a szállító-, elosztórendszereket át kell alakítani. Az elemi hidrogén emberi felhasználása nem tekint hosszú múltra vissza: szállítás (őrhajó, léghajó), energia felszabadítása (bomba). További felhasználására kísérletek napjainkban is: fúziós erımő, gépkocsi üzemanyag, üzemanyag cella szélesebb körő elterjesztése.
Tárolás Ha a levegıben atmoszférikus nyomáson 4,1-7,4 V% H2 van jelen, robbanóelegy jön létre. Tárolható tartályban nagy nyomáson, vagy cseppfolyós állapotban alacsony hımérsékleten, vagy valamilyen anyagban elnyeletve. Vezetéken szállítható, 1000 km-es távolság fölött kevesebbe kerül szállítani, mint az elektromosságot.
Felhasználási lehetıségek - Fúziós erımő Kísérleti stádiumban, de jelentısége nagy lehet. A megvalósítás problémái: - magas hımérsékletet (5 - 10 x 106 K) kell biztosítani a beindításhoz, új technológiára van szükség - felszabadult energia felhasználhatóvá tétele nem megoldott Elınyei: - hosszú távú felhasználhatóság - feltehetıen kevesebb a környezeti probléma, mint a fosszilis ill. atomenergia felhasználásánál
- Hidrogénnel hajtott belsıégéső motorok A hidrogén üzemanyagra való áttérés nem igényel nagy változtatást a jelenleg használt motorokban, tömegegységre vonatkoztatott főtıértéke a benzinének vagy a gázolajénak közel háromszorosa. A forró kipufogógáz felhasználható a hidrogén tároló tartály főtésére, így gyorsítva a hidrogéntároló anyag hidrogén leadását. A gazdasági és hatékonysági kérdéseken túl, egy hidrogén üzemanyagú motor teljesítené a köztudottan legszigorúbb kaliforniai emissziós normákat is. (Kalifornia 1997-tıl kötelezıvé teszi a zérus emissziójú közúti jármővek forgalmazását. 1998-ban az eladott jármővek 2 %-nak, 2003-ra 10 %-nak kell ilyennek lennie.)
VI. GEOTERMIKUS ENERGIA A Föld belsejében keletkezı, a földi hıáramban meghatározott szintig feljutó, ott a kızetekben, és a pórusvízben tárolódó termikus energiamennyiség. Szőkebb értelemben a felszín alatti víz hıtartalmában rejlı energia. A geotermikus energia jelenleg gazdaságosan csak hévíz közvetítésével hasznosítható, a víz nagy hıkapacitása miatt. A hazai hévíz kutak évente közel 6,5 x 1015 J hımennyiséget hoznak a felszínre (ez az ország energiamérlegében kevesebb, mint 1%). A geotermikus energia gazdaságos kinyerését az utánpótlódó víz, alkalmas víztartó, geotermikus gradiens határozza meg. A 100 °C feletti hımérséklető hévíz alkalmas lehet elektromosenergia-termelésre. A 100 °C alatti hımérséklető hévizek hıcserélın keresztül történı közvetlen hıhasznosítása a leggyakoribb (pl. épület, növényház főtése), majd a 35-20 °C-ra lehőlt vizet balneológiai célokra használják (gyógyfürdı) – lépcsıs hıkinyerés. Hévíztermelésre alkalmas kút létesítése költséges, de a geotermikus energia általában gazdaságos és környezetkímélı energiaforrás. Az elsı geotermikus erımővet 1904-ben Olaszországban építették, ma is üzemel.
Izlandon 1930 óta főtenek lakóházakat geotermikus energiával. A hazai hévíz kutak által felszínre hozott hımennyiség mintegy 40%-át fürdık, strandok hasznosítják, közel 30%-át üvegházak főtésére használják. Ipari, kommunális célra még alig van felhasználás, de van egy-két példa: Szentesen 79 °C -os vízzel elsı lépcsıben a kórházat, a második 1épcsıben az üvegházakat főtik, illetve a régi strandfürdıben hasznosítják a meleg vizet. Szegeden 3 000 lakás főtését oldották meg. A geotermikus energiát alkalmazzák: - mezıgazdaságban üvegházak főtésére - haltenyésztésben - lakások főtésére - elektromos áram termelésére - utak téli jégmentesítésére
- Vulkánnal kapcsolatos hıforrások A hı a kristályosodó magmatömegbıl származik. Néha a magma nem tör ki, hanem egy bizonyos nagyságú felhajtó erı hatására sőrősége olyan lesz, mint a magmát körülvevı kızeteké. USA kísérletek: a mélyen lévı magma közelébe fúrtak le, 1 800°C-ra, a furaton át vizet cirkuláltatnak az energia hasznosítására. A magma és a talajvíz között ritkán jön létre közvetlen interakció: a hı a közöttük lévı nagy geotermikus grádienső kızeten át közvetítıdik. - Forró száraz kızetek A víztározó rétegek felett elhelyezkedı impermeábilis, vagy kis mértékben permeábilis kızetrétegekben tárolt hıre utal, a tározott hı kinyerése a cél. Ez a technológia még csak elméletben létezik.
Felhasználási lehetıségek Száraz gız erımő A gız-dominált területek esetén alkalmazható, amikor a gız hasznosítását semmilyen folyadék nem zavarja. 300-350°C-os hımérsékleten, megfelelı nyomáson jobb hatékonyságú áramtermelés érhetı el.
Kettıs ciklusú erımő Egy a víznél alacsonyabb forráspontú folyadékot (pentán vagy bután) gızzé alakít, ami meghajtja a turbinát. Elınye, hogy az alacsonyabb hımérséklető források is hasznosíthatóvá válnak. A kémiailag nem tiszta geotermikus folyadékok is hozzáférhetıvé lesznek, ha nyomás alatt tartják. Kettıs gız kiáramlású erımő Kísérletek folynak a gız kiáramlású technológia fejlesztésére, hogy kiküszöböljék a kettıs ciklusú erımő magas beruházási költségeit. Ez a rendszer jól alkalmazható, ahol a geotermikus folyadék kis mennyiségő szennyezı anyagot tartalmaz, így a vízkı leválás és a nem kondenzálható gázok - amelyek a hasznosíthatóságot befolyásolják - a minimumra szoríthatók. Közvetlen felhasználásra alkalmas források Japánban, Új-Zélandon, Izlandon és Olaszországban a nedves gız vagy meleg víz egy bizonyos hımérséklettartományban alkalmas háztartási, szabadidei és ipari felhasználásra.
A geotermikus energia hazai lehetıségei Magyarország geotermikus energiavagyonát a felszín alatti kızetek geológiai korok idején kialakult hıtartalma adja. Kedvezı geotermikus adottságokkal rendelkezünk (a világátlagnál jobb geotermikus grádiens /20 m/oC, a Dél- Dunántúlon és az Alföldön nagyobb értékő, 1 000 m mélységben 70 oC, 2 000 m mélységben 120 °C kızethımérséklet van/, nagy vízvezetı kızettömeg és nagy tárolt hévízmennyiség egyszerre jelen). A földi hıáram nálunk átlagosan 100 mW/m2 – a világátlag másfélszerese. A hıbányászati tevékenységet egyidejő meglétük határozza meg: - kedvezı geotermikus gradiens, - nagy mennyiségő hévízkészletek, - megfelelı mélységi nyomásviszonyok. A geotermikus energia az ország területének mintegy a felén gazdaságosan kitermelhetı. A tárolt hévízkészlet becslések szerint 2 500 km, a hévízkihozatal jelenleg 500 000 m3/d. Ezt 1 106 hévízkút adja, illetve néhány természetes hévíz elıfordulás. Az eddigi összes hévíztermelés a teljes vízkészletnek egy ezreléke, a zárt tárolók hévízkészletének fél ezreléke.
Irodalom • www.nyme.hu/fileadmin/dokumentumok/emk /kornyezettudomany/ • www.zoldtech.hu • www.geosolar.hu • www.reak.hu • www.gaiasolar.hu
