Fizika – Energia és környezet
MIÉRT NEM MŰKÖDNEK A JELENLEG ISMERT MEGÚJULÓ ENERGIA-TECHNOLÓGIÁK? WHY DO PRESENT RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES FAIL? 1
Jánosi Imre1,2
Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék Kármán Környezeti Áramlások Laboratórium ELTE TTK, 1117 Budapest, Pázmány Péter sétány 1/A http://lecso.elte.hu 2
ÖSSZEFOGLALÁS Közismert tény, hogy a fosszilis tüzelőanyagok véges mennyiségben állnak rendelkezésünkre, az átállás a „megújuló” energiaforrásokra valójában már el is kezdődött. Azonban ha alaposabban megvizsgáljuk a jelenleg ismert és kiforrottnak tekinthető technológiák korlátait, kiderül, hogy valójában még integrálva sem képesek ezek a mai szinten az alapellátás biztosítására: először is a „hagyományoshoz” képest rendkívül alacsony a megújuló források fajlagos energiasűrűsége, továbbá időben és térben is erősen ingadozik a hozzáférhetőségük. Ha nem sikerül egy még nem ismert „forradalmian” új technológiát kialakítani, az egyetlen (elvi) megoldást az olcsó, nagykapacitású energiatárolás kidolgozása jelentheti. BEVEZETÉS 1870 körül, az iparszerű kitermelés kezdetén, az olaj szerepe ugyanúgy marginális volt, mint manapság a (valódi) megújuló forrásoké, melyek részaránya az össz fogyasztáson belül kevesebb mint 1%. A XX. század elején azonban gőzerővel elindult a nagy átállás, ami meglepő sebességgel és intenzitással zajlott le országról országra, és a jelenlegi „olajcivilizáció” kialakulásához vezetett. A fokozódó egyoldalúságnak a kockázatára figyelmeztetett az 1973-as első és az 1979-es második olajválság, azonban a globális fogyasztási adatokat szemlélve ennek sem látható komolyabb hatása, talán a növekedés sebessége esett valamelyest. Ma a világ energiaszükségletének kevesebb mint 40 %-át fedezi az összes, nem olaj vagy gázalapú forrás (szén, atommaghasadás, biomassza, víz, közvetett vagy közvetlen napenergia és a föld belső hője) [1]. A világon újonnan felfedezett ásványi olaj mennyisége a nyolcvanas évektől kezdve folyamatosan csökken – olyannyira, hogy a kilencvenes években a fogyasztásnak kevesebb mint felét pótolták új feltárások. A földgázzal kicsit jobb a helyzet, a jelenlegi szint mellett kb. 70, a becsült bővülés (elsősorban Kína, India, Brazília, stb. megugró igényei) esetén kb. 40 évre biztos készletek állnak rendelkezésre. A kőszén megőrzi jelenlegi meghatározó szerepét (22 % az össz mérlegben). Ezen belül az erőművi felhasználás 70 %-os aránya tovább bővül, az acélgyártás igénye önmagában is 15 %, a háztartási felhasználás ezek mellett elhanyagolható (3 %). Szerencsére a bizonyított készletek a jelenlegi fogyasztás mellett is vagy 200 évig kitartanak [1]. A fosszilis energiahordozókon kívül minden egyéb részaránya nagyjából 20 %, ezen belül az atomerőművek járuléka 6 %, a maradék 14 % az úgynevezett „megújuló” forrás. A 204
Fizika – Energia és környezet valóban megújuló, azaz az időszakos fogyasztást a Napból érkező energiából teljes mértékben pótló hordozók részaránya kevesebb, mint 1 %, és az előrejelzések szerint ez a következő egy-két évtizedben nem is fog nagyon változni. A fennmaradó rész a klasszikus biomassza és főleg a fejlett országokban jellemző hulladék égetésére jut. A továbbiakban sorra vesszük, hogy a közeljövőben miért nem várható a jelenleg ismert alternatív energiahordozók javára jelentős átrendeződés [2]. GEOTERMIKUS ENERGIA A maghasadás (és esetleg a jövőben kihasználható magfúzió) kivételével az egyetlen, nem a Napból érkező energia forrása a Föld belső hője. A felszínre érkező belső hőáram felmérésére a legmegbízhatóbb információt a mélyfúrások során rutinszerűen elvégzett hőmérsékletmérések nyújtják. Szerencsére ilyen adatok több tízezernyi helyről hozzáférhetők, mind szárazföldi, mind óceáni fúrásokból. A 1. ábra (balra) a felszíni hőáram sűrűség (hőfluxus) rendkívül inhomogén földrajzi eloszlását mutatja be, a „forró” pontok többsége egybeesik a tektonikus lemezek éleivel.
1. ábra. Balra: A felszíni hőáramsűrűség globális eloszlása, mW/m2 egységekben. Jobbra: A világ legnagyobb geotermikus erőművében (The Geysers, USA) előállított gőzmennyiség, bepumpált víztérfogat 109 font/év egységekben, valamint az M ≥ 1,2 szeizmikus események száma (skála jobbra) 1979 és 1999 között. A geotermikus energiával kapcsolatban számos „mítosz”, megalapozatlan információ kering a köztudatban, az első mindjárt a mennyiségével kapcsolatos [3]. A felszíni hőáram globális átlagértéke kb. 87 ± 2 mW/m2 (mW = milliwatt, 10–3 watt). A hideg helyeken (pl. Európa) ez az érték csak 46 mW/m2, míg Izland környékén eléri a 136 mW/m2 szintet. Hazánk területe a földrészen meleg helynek számít, 90 – 100 mW/m2 (0,09 – 0,1 W/m2) körüli értékekkel. Viszonyítási alapként nem árt felidézni, hogy a Napból érkező sugárzási energia éves középértéke nagyjából 125 W/m2 (lásd a következő szakaszban), kiátlagolva az ország egész területére, azaz a belső hőnél majdnem 1500-szor több. Szemléletes összehasonlító adat, ha Magyarország teljes energiafelhasználását területi átlagként fejezzük ki, ami a 2008-as évben 0,41 W/m2 körül alakult (ez az érték azóta inkább csökkent a folyamatos üzemanyag drágulás miatt). Eszerint ha a geotermikus energia minden „morzsáját” veszteség nélkül sikerülne az ország minden négyzetcentiméteréről csapdába ejteni (ami ugye elvileg is lehetetlen), akkor is csak a szükségletek negyedére lenne „fedezet”. A következő mítosz a geotermikus energia kimeríthetetlenségével kapcsolatos. A világ legnagyobb, ipari léptékű áramtermelésre legrégebben használt geotermikus erőműrendszere San Franciscótól 120 km-re, északra található. A több mint 350 furattal rendelkező, 23 különálló erőmű névleges össz kapacitása 1500 MW (összehasonlításképpen: a felújított paksi blokkok egyenként 500 MW teljesítményűek), ám a termelő kapacitás ennek csak 63 %-a, kb. 950 MW. Az 1. ábra jobb oldali grafikonján jól látható, hogy az 1987-es év 205
Fizika – Energia és környezet csúcsteljesítménye után a generátorok hajtására megfelelő minőségű gőz mennyisége folyamatosan csökkent, majdnem a felére. Ez részben a túlzott tempójú kitermelés mellékterméke (a természetes kürtők mellé százával készültek a mesterséges furatok), részben a nyolcvanas évek elején kezdődött hideg vizes visszatáplálás miatt bekövetkezett hőmérséklet-csökkenés nem kívánt következménye (10 °C hőmérsékletesés már elég ahhoz, hogy gazdaságtalan legyen az áramtermelés). Nem véletlen, hogy a csúcsévet követően lefékezték a bepumpálást, reménykedve a forró réteg mielőbbi visszamelegedésében. Erre azonban még várni kell, a jelenlegi bizonytalan becslések szerint nagyjából 50–300 (!!) évet, melynek legfontosabb fizikai oka a kőzetek rossz hővezető képessége. A további tévhitek közé sorolhatjuk azt is, hogy a geotermikus energia „végtelenül” környezetbarát, hasznosítása semmiféle kockázattal nem jár [3]. A szakemberek körében jól ismert tény, hogy minden olyan helyszínen, ahol gazdaságos méretű gőzfejlesztést próbáltak ki, nagymértékben fokozódott a szeizmikus aktivitás (1. ábra, jobbra). A legközelebbi példa a svájci Bázel közepén felépült kísérleti törpe-erőmű, ami beindítása után pár nappal egy 3,4-es erősségű földrengést váltott ki. A károk nem voltak jelentősek, ám a pánik annál inkább, végül a közvélemény nyomására a kísérleti állomást 2009 decemberében véglegesen bezárták. KÖZVETLEN NAPENERGIA HASZNOSÍTÁS A légkörön kívül a Napból érkező sugárzás átlagos intenzitása 1366 W/m2 (Napállandó), éves pálya menti ingadozása ± 3,4 %, a nagyjából 11 éves napciklus (lásd napfoltok) alatt további ± 0,1 %, hosszabb időszakokban egyéb változásokkal együtt. Ez az energia széles spektrumon oszlik el, ám a csúcsa a látható fény tartományába esik. A teljes mennyiség nem érkezik a felszínre: jó része a légkör magasabb rétegeiről visszaverődik (pl. felhők), és intenzitását a Föld görbültsége tovább csökkenti. Egy valódi besugárzási adatsort mutat a 2. ábra, Budapesttel megegyező földrajzi szélességű mérési pontban. A hosszú idejű átlag nagyjából a Napállandó egytizede, ami még így is vagy háromszázszor több, mint a már említett teljes hazai fajlagos fogyasztás (0,41 W/m2).
2. ábra. Kétévnyi felszíni besugárzási adat (3 órás átlagértékek) Magyarország közepén (47,25 °É, 19,50 °K), az ERA-Interim adatbankból. Vízszintes vonalak mutatják a hosszú idejű átlagot (124,8 W/m2). Alul két hónapnyi szakasz kinagyítva. Próbáljuk átgondolni annak a lehetőségét, hogy hazai villamos energia fogyasztásunkat (ez a teljes energiamérlegen belül kb. 40 %-ot jelent) kizárólag napelemekkel elégítjük ki. A legjobb, még megfizethető árú panelek energia átalakító hatásfoka nagyjából 20 % körüli. Maximális névleges teljesítményüket 1000 W/m2 merőleges besugárzás esetén hitelesítik
206
Fizika – Energia és környezet (ekkora körülbelül az intenzitás Spanyolország déli részén, nyaranta, ebéd táján). Nálunk a csúcsértékek sem érik el ezt a szintet (2. ábra). Az éjszakai üzemszünetet és minden egyebet figyelembe véve, nemigen számolhatunk 25 W/m2-nél lényegesen nagyobb, hosszú idejű átlagértékkel. Ha még a nagyon erős, évszakos ingadozásra is tekintettel lennénk (a várható átlagos „termelés” telente 4–5 W/m2 értékre zuhan), akkor a meglévő 8,8 GW-nyi hagyományos erőművi kapacitáshoz mintegy 1800 km2 felületre lenne szükségünk. Ez az ország területének mindössze két százaléka, alig nagyobb, mint három Balaton. Ha télen egyéb energiaforrást is használunk, vagy eleget spórolunk, akkor tulajdonképpen megteszi 320 km2 is. A baj csak az, hogy a kívánt átlagos teljesítmény a nulla és az igény nyolcszorosa között ingadozva állna rendelkezésünkre, a beruházási költségekről nem is beszélve. A cikk írásának időpontjában ezek szépen csökkentek, majdnem 3,5 euró/W szintig (áfa nélkül). A panelek egy komplett energiarendszerben a beruházás felét viszik el, egy nagybani vevőnek viszont nyilván járnak kedvezmények. Legyen a teljes telepítési ár 5 euró/W, a névleges csúcsteljesítmény ugyebár 200 W/m2, ez 1 km2 esetén pontosan 1 milliárd eurót jelent (a magyar éves GDP kb. 200 km2-re lenne elegendő) [2]. SZÉLENERGIA A szélenergia hasznosítás fizikai alapjai egyszerűek, és jól ismertnek tekinthetőek. Az áramlás teljesítménysűrűsége (egységnyi felületen és egységnyi idő alatt áthaladó légtömeg mozgási energiája) a szélsebesség harmadik hatványával és a levegő sűrűségével arányos, így a meteorológiai paraméterek alapján könnyen meghatározható. Az összes mozgási energia nyilvánvalóan nem nyerhető ki (ehhez olyan „turbina” kellene, amely mögött leáll a levegő), az elvi határ az ún. Betz limit (59,3 %). További veszteségek is fellépnek, de a legkorszerűbb erőművek lassan megközelítik az 50 %-os hatásfokot (ez a Betz limit 84 %-a).
3. ábra. Balra: Egy Enercon E-40 típusú turbina gondola magasságában (65 m) mért szélsebesség értékek normált hisztogramja (oszlopok, 10 perces átlagok, 3 üzemév adatai), valamint teljesítmény görbéje (folytonos vonal, jobboldali skála). Jobbra: Kimenő elektromos teljesítmény egy heti mért idősora (10 perces átlagok, 2004 első hete) ugyanezen turbinánál. Három év kapacitás faktorai: 20,76 %, 22,33 %, 20,27 % (lásd a szövegben). A szélerőművi energiatermelés legnagyobb problémája, hogy maga az erőforrás szokatlanul megbízhatatlan, a szél néha fúj, néha (nálunk többnyire) nem. Az ingadozások rövid időtartamok alatt is rendkívül nagyok lehetnek (turbulencia), és kivételesen nehéz az előjelzésük. A szélsebesség értékek egy adott helyen erősen ferde gyakoriság eloszlást mutatnak, egy példa látható a 3. ábra bal oldali grafikonján (3 év turbina-torony mérései Mosonszolnok közelében). A modern turbinák teljesítmény görbéi (elektromos kimenő teljesítmény a szélsebesség függvényében) a maximális értéktől eltekintve nagyon hasonlóak ahhoz, mint amit a folytonos vonal illusztrál ugyanezen a grafikonon. A generátorok meghajtásához szükséges minimális szélsebesség („cut-in” érték) általában 2,5-5 m/s, e fölött a kimenő teljesítmény a szélsebesség közel harmadik hatványával nő. 11-13 m/s körül
207
Fizika – Energia és környezet szükséges az aktív turbina-kontroll bekapcsolása, amit a lapátok hajlásszögének változtatásával érnek el. Ebben a tartományban a kimenő elektromos teljesítmény egy konstans érték körül (névleges teljesítmény plató) ingadozik. Túlságosan erős szélben a lapátokat és a tornyot is kritikus mechanikai terhelés érheti, ezért biztonsági okok miatt 25 m/s sebesség körül („cut-out” érték) a turbinákat leállítják. A 3. ábrán látható, hogy az alacsony átlagos szélsebességű helyeken az elektromos teljesítmény nem egyszerűen csak elmarad a névértéktől, hanem a természetes sebességingadozások a teljesítmény görbe nemlineáris szakasza miatt extrém fluktuációkat produkálnak a kimenő oldalon. Ettől függetlenül is egy szélturbina elektromos teljesítménye folyamatosan ingadozik a nulla és a névérték között, példaként bemutatjuk a már említett erőmű egy heti kimenő adatsorát a 3. ábra jobb oldali grafikonján. A szélturbinák hasznosságának is fontos mérőszáma a kapacitás faktor, ami a hosszú idejű átlagos kimenő teljesítmény és a névleges teljesítmény hányadosa. Kivételesen jó széljárású helyeken a kapacitás faktor meghaladhatja a 40 %-ot, 33-35 % fölött egy szélturbina igen jó teljesítményűnek számít, nálunk a legjobb helyeken és legjobb években sem igen haladta meg a 25 %-os szintet egyetlen szélerőmű sem. (Összehasonlításképpen, az alaperőművek szokásos kapacitás faktora 95-99 %.) Az említett 8,8 GW-nyi erőművi kapacitás kiváltására mintegy 8000 toronyra lenne szükség, ami elfoglalná a Kisalföld magyarországi területének jó részét [2]. A koncentrált telepítés azonban csak felerősítené a 3. ábra jobb oldalán látható ingadozásokat, ami a nulla és az átlag ötszörösét lefedő tartományon történne, akár egy óránál gyorsabb átmenetekkel. ZÁRÓ GONDOLATOK Bár a többi „egzotikus” alternatív forrás (pl. árapály- és hullám-erőművek, űrbe telepítendő eszközök, bio-üzemanyagok, stb.) elemzésére helyhiány miatt nincsen mód, a fentihez hasonló megfontolások alapján biztonsággal kijelenthető, hogy az ismert megújuló energia források önmagukban soha nem fedezhetik a globális ellátás döntő részét, a ma megszokottnak tekinthető szinten. A fosszilis és nukleáris energiahordozók kiváltására ezek a technológiák nem alkalmasak, viszont jelentős mértékben járulhatnak hozzá a hagyományos energiahordozók megtakarításához, mellyel időt lehet nyerni az átállás nehézségeinek leküzdéséhez. Az alternatív energiaforrások részarányának jelentősebb növelése jelenleg még megkívánja a hagyományos, gyorsan kapcsolható operatív tartalék kapacitások hasonló arányú növelését, ami a beruházásokat jelentősen megdrágítja. Elvi megoldást jelentene a nagy kapacitású és olcsó energiatárolás problémájának megoldása, egyenlőre még ez is a jövő nagy kihívásai közé tartozik [4]. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Kutatásaink támogatásáért köszönet illeti az Országos Tudományos Kutatási Alapot (NK72037 és NK100296), valamint az Európai Uniót (TÁMOP 4.2.1./B-09/KMR-20100003). IRODALOMJEGYZÉK 1. Jánosi I.: Krízis vagy hisztéria? Emberiség és energia. Természet Világa, 138(4), 150, 2007. 2. Jánosi I.: Megújuló energia. Számoljunk utána! Természet Világa, 140(11), 502, 2009. 3. Jánosi I.: Geotermikus energia. Nem kívánt mellékhatások. Természet Világa, 141(8), 352, 2010. 4. John Andrews and Nick Jelley: Energy Science. Principles, technologies, and impacts. (Oxford University Press, Oxford, 2007), p. 344. 208
