Megújuló energiák lehetőségei az energiaellátásban
2004/11. lapszám | netadmin | 3333 |
Figylem! Ez a cikk 22 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Megújuló energiák lehetőségei az energiaellátásban Az energiát az elsődleges/primer (fosszilis/hagyományos - szén, kőolaj, földgáz -, nukleáris és megújuló) energiahordozók és az ezekből különböző technológiákkal nyert másodlagos energiafajták (...
Az energiát az elsődleges/primer (fosszilis/hagyományos - szén, kőolaj, földgáz -, nukleáris és megújuló) energiahordozók és az ezekből különböző technológiákkal nyert másodlagos energiafajták (villamos energia, benzin, dízel, biodízel, bioalkohol, biogáz, hidrogén) felhasználásával nyerjük. Magának az energiának a továbbítása (transzportja) is energiát igényel: esetenkénti gazdaságossági vizsgálat tárgya, hogy mikor érdemes energiát szállítani és mikor helyben (decentralizáltan, autonóm rendszerekben) előállítani. Tanulmányunk elsősorban a villamosenergia-ellátással foglalkozik, így a nem megkerülhető kérdéssel, a megújuló energiák háztartási hőtermelésre (fűtésre, melegvíz-készítésre) való hasznosításával, a napkollektorokkal és a hőszivattyúkkal e helyütt nem foglalkozunk.
Ismereteink szerint a világ energiaszükséglete az emberiség története során (kisebb, egyes régiókat érintő visszaeső időszakok kivételével; ilyen volt pl. hazánkban az 1990-es évet követő öt év gazdasági visszaesése) folyamatosan nőtt, időszakonként eltérő növekedési sebességgel. 2000-ben az éves globális energiaigény elérte a 400 EJ-t (400 x 1018 J). A világ energiaigénye belátható ideig tovább nő: 2025-re eléri a 640, 2050-re a 990, 2100-ra a 2600 EJ nagyságrendet.
1. táblázat
A világ primerenergia-szerkezetének alakulása
Szembe kell néznünk azzal, hogy a növekvő energiaszükséglettel szemben a hagyományos fosszilis tüzelőanyag (szén, kőolaj, földgáz) és az uránbázisú hasadó nukleáris üzemanyag (elsősorban a szaporító reaktorokat a nukleáris fegyverek elterjedését megakadályozandó nemzetközi tiltás miatt) energiavagyon véges, területi eloszlása egyenetlen (az energiahordozó vagyon zöme kevés országra korlátozódik), és kinyerését állandó politikai-, fegyveres konfliktusok akadályozzák, árát növelik.
A "műre való" (jelenleg hozzáférhető) és a feltételezett vagyon és új kinyerési technológiák figyelembevételével a szénvagyon 300-400 évre, a földgáz 100 évre, a kőolaj kevesebb mint 100 évre, az uránvagyon szaporító reaktorok nélkül 130 évre, szaporító reaktorokkal 700 évre elegendő (az ellátottság ennyi ideig biztosítható).
Például nézzük a kőolajhelyzetet. A világ készletei kb. 1,4 x 1011 tonnát tesznek ki; az éves termelés világviszonylatban 3,6 x 109 t. Ebből
ellátási idő jön ki. Vehetjük ennek dupláját is, de sokkal több nem várható.
Az, hogy hogyan fog kinézni a primerenergia-eloszlás szerkezete a jövőben - azt racionális viszonyok között a készletek, a termelés és a fogyasztói igények által meghatározott ár, tehát szigorúan gazdasági szempontok határozzák meg. Számolnunk kell azonban politikai és árutőzsde-pszichológiai tényezőkkel (termelés visszafogása, túltárolás) is.
2. táblázat
A világ villamosenergia-fogyasztásának prognózisa
Az árnövekedés és bizonyos energiahordozók kimerülésének "réme" a következő 50 évben alaposan átrendezi az energiapiacot. A kormányok világszerte energiatakarékossági intézkedésekre kényszerülnek, kénytelenek lesznek technikailag is felkészülni az adott régió számára legkedvezőbb energiafelhasználási formákra, átgondolni export-import politikájukat, utóbbi nemzetbiztonsági kockázatait.
Ennek során figyelembe kell venni ezen energiahordozó készletek földrajzi (messze nem egyenletes!) eloszlását:
- a kőolajnál a legkritikusabb a helyzet: a készletek 65%-a a közel-keleten található, a többi kb. egyenletesen oszlik meg a földrészek, Oroszország és a FÁK államok között.
- A földgázkészletek eloszlása a nem-iszlám világ számára kedvezőbb: a készletek 32%-a van a Közel-Keleten, és 40%-a Oroszországban és a Szovjetunió utódállamaiban (FÁK).
- A szénkészletek a volt Szovjetunió országaiban a legbőségesebbek (58%), de elegendő van Észak-Amerikában (13%), Ázsiában és Ausztráliában (22%). Valami jut Nyugat-Európának is (3%).
- Az uránkészletek elég egyenletesen elosztottak, egyedül Nyugat-Európa nem jön jól ki az elosztásból (2%).
Napenergia (napelemek)
Az atmoszféra külső határára (a sztratoszféra felső határára) 5,5 x 1024 J/év napsugárzás (energiafluxus) érkezik, melyből az atmoszférában bekövetkező reflexiós és abszorbciós (szóródási és elnyelési) folyamatok következtében éves és területi átlagban ezen érték mintegy 43%-a, azaz 2,4 x 106 EJ/év éri el a Föld felszínét; ebből a földfelszín 29%-át kitevő szárazföldre 0,29 x 2,4 x 106 EJ = 7 x 1023 J/év esik.
Ezen értéket a szárazföld 149 x 1012 m2 felületével osztva megkapjuk a szárazföldre besugárzott átlagos éves (be-)sugárzási energiasűrűséget: 150 Ws/m2 átlagos (be-)sugárzási teljesítménysűrűségnek felel meg.
Ez az átlagérték a szélességi foktól és a dátumtól függő helyi értékek (a nappalok és éjszakák, a felhős és napos órák) átlaga; a sugárzási teljesítménysűrűség - a közhiedelemmel ellentétben - helyi éves átlaga ezen értéktől nem tér el nagymértékben: értéke Kaliforniában és a Szaharában 273 Ws/m2, Európa mérsékelt övezetében pedig 115-120 Ws/m2. (A napelem adatlapokon szerepel egy 1000 Ws/m2-es érték: ilyen besugárzási teljesítmény csak a legmelegebb övezetekben és ott is csak felhőtlen időben, a déli órák rövid perceiben fordul elő. Az 1000 Ws/m2 egy ún. névleges sugárzási érték (mi We,n-el jelöljük), mely a különböző napelemek egységes összehasonlítására szolgál laboratóriumi méréseknél. A szakmában erre vonatkoztatják a beruházási költségeket $/We,n egységekben. Egy konkrét projekt teljesítményét is sokszor névleges sugárzási értékre adják meg.)
A szárazföldre eső és elnyelt, fent megadott napenergia (fluxus) (7 x 1023 J/a) - a napenergia elméleti potenciálja - hatalmas érték: a világ jelenlegi teljes éves energiaszükségletének (400 x 1018 J/a = 400 EJ/a) láthatóan közel kétezerszerese; ez arra a téves következtetésre vezethet, hogy a napenergia felhasználása önmagában megoldhatja a világ energiagondjait.
Ezen hatalmas elméleti potenciál kihasználását ugyanis műszaki, pénzügyi korlátok és a környezet ökológiai egyensúlya megőrzésének követelménye drasztikusan korlátozzák: a napelemekkel előállított villamos energia jelenleg a világ villamosenergia-termelésének egy század százaléka, mely a szakemberek szerint még 2020-ban sem haladja meg az akkori villamosenergia-fogyasztás 1%-át (276 TWh-t a 27 617 TWh-ból). Optimista előrejelzések szerint ez az egy százalék 2050-re 13%-ra nőhet (ehhez a szárazföld-felület 10-4-ed részét (0,04%/t) kell napelemmel beborítani). A hazai ellátáshoz várható hozzájárulás ennek a százaléknak töredéke.
Néhány egyszerű ténnyel és számítással szeretnénk az olvasót a fenti prognózis realitásáról meggyőzni.
A "nagy tömegben" előállított napelemek hatásfoka (he) ma 5-15% (tehát pl. a 120 Ws/m2 besugárzás esetén a sugárzásra merőleges (~ a vízszintessel 45°-ot bezáró, déli égtájra irányított) napelem-felület esetén a napelem 6-18 We elektromos teljesítményt ad le). Ez az érték várhatóan 2025-ig sem haladja meg a 15%-ot. Ne tévesszen meg senkit, hogy az űrkutatásban alkalmazott igen drága, speciális napelemekkel 35%-ot is elértek. Folynak kísérletek műanyagra felvitt speciális ötvözetekkel, melyek néhány cm2-en (!) hasonló hatásfokot érnek el, de nagyobb felületeken eddig senki sem tudta túllépni a 15-20%-os hatásfokot.
A legnagyobb gond a napelem-rendszerek beruházási árával (pontosabban pl. a jelen értéken számolt m2-enkénti beruházási költségeivel) van. A napelemeket (pl. 40 napelem cellát egyesítő) napelem modulok formájában szerelik be a naperőművek rendszereibe; hogy egy ilyen modul hálózatba kapcsolva áramot szolgáltasson, számos tartozékkal (inverterekkel, mérőberendezésekkel, kommunikációs hálózattal) kell ellátni, melyek a modulok árának többszörösébe kerülnek. 1 m2 aktív napelem-felület tartozékokkal - technológiától függően - ma 200-700 USA dollárba kerül. A továbbiakban mi egy 2010-2020 körül várható 260 dollár/m2-es várható költséggel számolunk.
Végezzük el azt az elméletileg érdekes számítást, hogy mekkora napelem-felület és
bekerülési költség szükséges a Földre jutó átlagos napsugárzási teljesítmény villamos energiává alakításához. Induljunk ki optimális adatokból; legyen he = 15%, és vegyük a fent megadott átlagos 150 Ws/m2 besugárzási teljesítményértéket; számoljunk a 260 dollár/m2 költséggel.
Ilyen adatokkal tehát 1 m2 napelem 0,15 x 150 = 22,5 We elektromos teljesítményt ad le és 260 dollárba kerül. Ha az egész szárazföldet (!?) napelemekkel borítanánk be, akkor
149 x 1012 x 22,5 = 3,3 x 1015 We elektromos teljesítményt nyernénk 3,9 x 1016 dollár beruházással. (Ennek 1%-a 3 x 1013 We-t jelent. A világ elektromos fogyasztásának megfelelő teljesítmény 2010-ben 2,3 · 1012 We. A világ GDP-je ugyanakkor kb. 7 x 1013 dollár/év.)
A hatalmas, napelemmel lefedett területek megbonthatják a természet egyensúlyát, esztétikailag is kérdésesek. (A természet önszabályzó rendszere fotoszintézisre a napsugárzás kb. 1%-át fordítja, a szél formájában felhasználható napenergia is ebben a nagyságrendben van. Miért gondoljuk, hogy az "ember" saját céljaira - napelemekkel - ennél többet vonhat el?)
Közelítsük meg a kérdést egy reálisabb példával: mekkora napelem-felület és bekerülési költség kell egy 400 MWe-os erőmű napenergiával való pótlásához a fentivel azonos kiindulási adatokkal?
ami 2010-ben kb. a világ teljes napelem-termelésének felel meg, 17,7 x 106 x 260 = 4,6 x 109 dollár. Egy hagyományos földgázturbinás erőmű bekerülési költsége hasonló teljesítménnyel kb. 2 x 108 dollárba kerül. Vegyük azonban figyelembe, hogy ez csak a bekerülési költség; míg a napsugárzás "ingyen" van, egy 400 MWe-os gázerőmű (pl. 2 MWe-os blokkokból felépítve) óránként 105 m3 földgázt fogyaszt, ami ~ 2,3 x 108 dollár/év üzemanyagköltséget jelent, a karbantartási költségekről nem is beszélve. (folytatjuk) Prof. Dr. Giber János és Dr. Réti Ferenc Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Atomfizika Tanszék (2004-ben azonos címmel könyv jelenik meg a B+V kiadónál, az itt megjelent cikk a könyv alapján íródott.)
1 A vízenergia csökkenő szerepe annak tulajdonítható, hogy a folyókon kiépített vízerőművek ésszerű lehetőségei nagyrészt kiépítettek, és így a vízerőmű kapacitások 2000 és 2050 között legfeljebb 1,5-szeresükre, míg ugyanezen idő alatt az elektromos energiafogyasztás négyszeresére nő.
Fel kell hívnunk a figyelmet, hogy egyes szerencsés országokban 2000-ben a vízenergia részesedése a 2000 évi villamosenergia-termelésben kiugróan magas; pl. Norvégiában 99%, Izlandon 82%, Svájcban 75%, Ausztriában 57%, Svédországban 54%, Franciaországban 19%, Olaszországban 19%, Oroszországban 18,8%, Kínában 16%, Indiában 13,7%, Japánban 8,9%, az USA-ban 6,8%. Ez azt eredményezheti, hogy pl. Ausztria 2000-ben a statisztikák szerint elérte a megújuló energiák részesedési arányában a 70%, (vízenergia + biogáz) és Izland a 100 %-ot (víz- + geotermális). A villamos energia termelés növekedése és a vízenergia termelési lehetőségek fent említett alakulása azonban a vízenergiák szerepét a jövőt illetően ezekben az országokban is jelentősen csökkenti.
