Transcript Művészet és tudomány kéz a kézben Berényi Dénes

Berényi Dénes
Debrecen
2011. december 15.
Alternatív energiaforrások –
egy kritikai megközelítés
Vázlat
1. Túlzott optimizmus
2. Megújuló források megítélése a realitások fényében
3. „Transzfer” megoldások
4. Egyéb megfontolások
5. Következtetések
2
1. Túlzott optimizmus
a. A megújuló/alternatív energiaforrások növekvő szerepe
•
biomassza, geotermia, napsugárzás, szél, vízienergia
•
árapály, tenger hullámzása, a tenger mélységi
rétegeinek hőmérséklet-különbsége, sókoncentrációk
különbsége folyók torkolatánál
3
b. Félrevezető kijelentések
„…a globális szélenergia-potenciál apró szeletkéjének
hasznosítása egy csapásra , megoldaná minden (jövőbeni)
energetikai gondunkat.”
• ezek, ha formálisan igazak is, kiegészítő megjegyzések
nélkül a
– tényleges felhasználhatóságra és
– a felhasználás során jelentkező problémákra vonatkozólag,
– mégis félrevezetők
4
c. Optimizmus a nukleáris energiára vonatkozólag a II.
világháború után (5/a, 5/b)
d. „Negatív oldalak” bemutatása ebben az előadásban
e. Előrebocsátom:
• mai előadásom előzetesnek tekinthető
• világviszonylatban sem elég a kvantitatív eredmény és
tapasztalat (IPCC) – 5/c
5
Vannevar Bush híres „Tudomány: nincs határ” című
könyvében ezt írta akkoriban: „…az atomhasadással
szabadon engedett rettenetes erő hamarosan már nem
lesz ‘féltve őrzött katonai titok’, hanem ‘korlátlan
energiaforrás’ a béke és az ipar fejlődése szolgálatában.”
5/a
Ennél még sokkal radikálisabban fogalmazott annak idején pl. a
Scripps-Howard amerikai hírügynökség a következő képtelenséget „hírül adva”
„…az atomból előállított hővel meg lehet szabadulni a rossz
időtől. Az urániumnak köszönhetően mesterséges ‘Napok’
biztosítják majd a kék eget az üdülőhelyeken, és melegítik a
fedett farmokat. Semmi sem akadályozza meg, hogy olyan belső
égésű motorokat gyártsanak, amelyeket ‘apró urán robbanások
hajtanak’”.
5/b
„Though a growing number of RE technologies are technically
mature and are being deployed at significant scale, others are
in an earlier phase of technical maturity and commercial
deployment or fill specialized niche markets. The energy
output of RE technologies can be (1) variable and – to some
degree – unpredictable over differing time scales (from
minutes to years), (2) variable but predictable, (3)constant, or
(4) controllable.”
IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)
Special Report on Renewable Energy Sources and
Climate Change Mitigation
2011
5/c
2. A megújuló források megítélése a realitások alapján
a. A biomassza
• az alternatív források közül a legfontosabb
– hazánkban is (6/a)
• kis energiasűrűség
– szállítási, tárolási költségek
– a Mátrai Erőmű köré 120 km átm. körben „energiaerdő”
kellene
– szalma, kukoricaszár stb. még fokozottabban szállítás-,
tárolásigényes
• felhasználás három fő típusa: szilárd biomassza, biogáz,
bioüzemanyag
6
1. ábra : Az alternatív energiaforrások által hazánkban 2010-ben szolgáltatott
energiamennyiség. (Összehasonlításul: Magyarország teljes energiaigénye évenként kb. 10 000 PJ) – Nemzeti Fejlesztési Minisztérium adatai
alapján. Forrás: http://www.ecotechzrt.hu/
6/a
a.1. szilárd biomassza
• tűzifa, pellet, brikett (7/a)
• pellett, biobrikett gyártása energiaigényes
(energiaveszteség! – 20%)
• a közvetlen villamos áram termelés pazarlás (alacsony
konverziós hatásfok miatt)
– hőellátással összekötve kedvezőbb
– csak lokális felhasználás
7
7/a
a.2. biogáz
• főleg anaerob fermentációval állattartás
hulladéktermékeiből, szennyvízből, lakossági
hulladékból
• a technológia drága
• káros gázok is keletkeznek
– kénhidrogén,
– ammónia,
– CO2 (!)
8
a.3. bioüzemanyagok
• szokásos (első generációs) megoldás
– cukorrépából, búzából, kukoricából → bioetanol
– repce-, kukoricamagból → biodízel
• az élelmiszertermeléstől vonunk el termőföldet
– a Nobel-díjas mikrobiológus véleménye (Werner Arber – 9/a)
9
„…nem lenne szabad elkövetnünk azt a hibát, hogy értékes
termőföldjeinket bioüzemanyagok előállítására használjuk.
Ez igen nagy hiba, és megkérdőjelezi a mezőgazdaság fenntarthatóságát.”
Werner Arber
Nobel-díjas mikrobiológus
9/a
• abszurditás!
– az USA benzinfogyasztása 10%-ának kiváltásához teljes
kukoricatermésük 52%-ára volna szükség
– a kukorica energiatartalmának 9,4%-át hasznosítjuk etanollá
alakításkor, konvencionális erőművekben elégetve 60%-át
– rossz energiamérleg, a körülményektől függően akár negatív is
lehet
– a biodízel előállításánál dioxin és más szennyező anyagok is
keletkeznek
– a monokulturális termelés veszélyei (még rossz talajoknál is!)
– kemikáliák fokozott használata, talejerrózió stb.
– összefoglalva: (10/a)
10
„…a biomassza elégetésénél nagyobb csapást még nem
mért az ember saját magára.”
Gyulai István
ökológus
10/a
b. A geotermikus energiaforrás
• hazánkban különösen érdekes
– hőmérsékleti gradiens kétszeres
– területünk 70%-ában 30 Co feletti hőm. termálvíz
• különféle osztályozás lehetséges:
– közvetlen hőhasznosítás,
– hőszivattyús felhasználás,
– villanyáramtermelés
11
b.1. Közvetlen hőhasznosítás – már viszonylag alacsony
hőmérsékletnél is
• ez a legelterjedtebb és – mondjuk – a leggazdaságosabb
kihasználás
– belsőterek, melegházak fűtése
– agrártermések szárítása, aszalás
– balneológiai, gyógyászati alkalmazások
• legnagyobb problémát jelentik
– a termálvízben oldott sók
– agresszív, ártalmas gázok
– mérgező, rákkeltő fémek
12
• vízvisszatáplálás a talajba
– részben a fentiek miatt
– részben víz visszapótlás miatt
• plusz költségek
– ezek oly költségesek lehetnek
∙ hogy a hasznosítás értelmetlenné válik (MTA anyaga)
–
–
–
–
a szezonális ingadozás probléma lehet
csak lokális felhasználás
hőszennyezés a környezetben
nem kimeríthetetlen
13
b.2. Hőszivattyús felhasználás
• főleg fűtésre közvetítő folyadék (szintetikus anyagok,
szilikon olaj) és szivattyú felhasználásával
• csak lokális felhasználás
• nagy térfogat (diszperz energiaforrás)
• költséges beruházás
• a hőforrás kimerülhet a beruházás kifizetődése előtt
• a szivattyúk működtetésére villanyáram
14
b.3. Villanyáram termelés
• csak 120 – 150 oC feletti vízzel kísérelhető meg
– hatásfok ennél még rossz ( 10 % max.)
• magas beruházási költségek
– zajterhelés
(főleg a megvalósítás során)
15
• 5 - 6 km mélységben mindenütt elérhető a megfelelő hőm.
– csak a spontán gőz és víz kitöréseket ajánlják erre a célra
– kockázat a földrengés
∙ Bernben 3,4 erősségű, leállítás (16/a)
– víz visszatáplálás
∙ részben káros vegyi anyagok miatt
∙ részben a víz, mint hőhordozó pótlására
– az újra felmelegítéshez
∙ évtizednyi, esetleg évszázadnyi idő kell (16/b)
– a hulladékhő magasabb a hagyományos erőműveknél
16
Szeizmikus eseményszám (> 1,2)
Víztérfogat (109 font/év)
2. ábra: A „The Geysers” geotermikus erőműben (USA, California) a Richter-skála szerinti
1,2-nél nagyobb magnitúdójú földrengések száma és a visszatáplált víz mennyisége
az évek függvényében. A kérdéses idő alatt mintegy két tucatnyi esetben a rengés
elérte a 4-es magnitúdót (3-as felett már műszer nélkül érezhető) – Jánosi Imre
cikkében található ábra alapján.
16/a
regenerációs időtartam
Hőmérsékletváltozás
termelési időtartam
évek
3. ábra. A geotermikus termelés és regeneráció jelentés görbéje. Az évek számára vonatkozó
konkrét adatokat természetesen az aktuális feltételeknek megfelelően változnak. –
L. Rybach és mtsi cikke nyomán (Proc. World Geoth. Cong. 2000, Kyushu – Tohoku,
Japan).
16/b
c. Napsugárzás, mint energiaforrás
• nagyon „híg” energiaforrás
– 1300 kWh/m2, de függ földrajzi szélességtől, napszaktól
– nagy területigény
∙ nagyságrenddel is nagyobb lehet, mint egy konvencionális
erőmű
• szakaszosság
– évszakok, napszakok
• előrejelezhetetlen változások
– időjárás, felhősödés
• az energiatárolás nagy mennyisében és hosszú időre
gyakorlatilag megoldatlan
• a Föld felületére érkező napsugárzás 1 ‰-ket lehet erre
a célra használni
17
c.1. Hőenergiafelhasználás
• közvetlen mezőgazdasági felhasználás
• napkollektorok
– melegvíz
– fűtés, világítás
• magas beruházási költség
• a már felsorolt „immanens” okok
18
c.2. Villamosenergia termelés
• két módja van
– naperőművek
– napelemek (fotovillamos hasznosítás)
• naperőművek
– sík vagy parabolikus tükörrendszerek (19/a)
∙ a továbbiakban, mint a hagyományos hőerőművek működnek
– nagy területigény
∙ továbbá az „immanens” problémák
– a tükrök elhomályosulnak
– miért nem sivatagban?
∙ vízhiány
∙ áramelvezetés problémája
19
4. ábra: Naperőmű a Mojave sivatagban. (Nevada, USA) – http://zoldovezet.blogger.hu/
19/a
• fotovillamos hasznosítás
–
–
–
–
–
elsősorban Si - napelemek
rossz hatásfok ( 10 %)
„legdrágább” (20/a)
szuper-tiszta Si szükséges
hazánkban: 1 millió Eu/1 km2
éves GDP-nk 200 km2-re
erőmű kapacitásunk pótlására 1800 km2 kellene
– lehet-e fokozni a termelést?
– az elemek gyártásához ritka fémekre is szükség van
∙ Pa, Ti
– idővel az elemek veszítenek teljesítményükből
∙ 20 - 30 % / 30 - 40 év
20
5. ábra: A különböző energiaforrásokból nyert villamosenergia fajlagos költsége 2005-ben
(az egyes téglalapok a költség-sávot jelölik az egyes energiaforrásokra vonatkozólag).
– Polgári Szemle 7 (2011) 2. számában megjelent ábra alapján
20/a
d. A szél alkalmazása energiaforrásként
• fokozottan jelentkeznek a napsugárzásnál fellépő
problémák („immanens” problémák)
• a szélsebesség is számít
– néhány m/sec-nél még nem használható
– 35-40 m/sec már káros
∙ gondoskodni kell szerkezet védelméről
– a szél irányváltoztatását is figyelembe kell venni
21
• a híg forrás miatt egy megye területe nem volna elég
hazánkban
– a beruházás költsége pedig  50 milliárd Euro
∙ hazánk éves GDP-jének negyede
– megtérülési idő 7 - 21 év
– tájromboló hatás
∙ 100 - 180 m magas vasbeton v. vas kolosszusok
∙ a Parlament magassága 96 m
– madárpusztulás
– klimatikus hatás
– a Föld teljes szélenergiájának felhasználása a CO2 feltételezett
hatásának duplája
22
3. Transzfer megoldások
• kettőről szólunk röviden
– a hidrogén, mint üzemanyag (beleértve az un. tüzelőanyagelemeket is)
– széndioxidból előállított metanol
• egyik energiafajtát energiabefektetéssel egy másik energiafajtává
(célszerűbben használhatóra) alakítunk át
– ez „transzfer” szerep
23
a. Hidrogén, mint üzemanyag
• több energiát kell befektetni, mint amennyi a
felhasználásánál felszabadul
• problematikus
– szállítása
– raktározása is
– ezeknél is plusz energiabefektetés
• probléma a tankolásnál
– megszökés
– robbanásveszély
24
• tüzelőanyag-elemek
– nagyon drágák
– speciális, kis energiaigényű alkalmazásoknál (mobil
telefonok)
– élettartamuk igencsak korlátos
• mérgező termékek a H előállítása során
25
b. A metanol „gazdaságnál”
• előállításához energiabefektetés
• a metanol súlyosan mérgező
• előállításánál sok CO2 termelődik
26
4. Egyéb megfontolások
a. Környezetvédelmi szempontok az alternatív forrásoknál
• általában kedvezőbbek, de
– környezeti hatások mindegyiknek van és
∙ nem szabad negligálnunk azokat
• az erre vonatkozó kvantitatív megfontolások, számítások
legtöbbször hiányoznak (27/a)
27
„…az energetikával foglalkozó tanulmányok túlnyomó része csak
érintőlegesen foglalkozik környezeti hatásokkal.”
Ádám József
a Magyar Tudomány megújuló energiaforrások
számának bevezetőjében (2010. 8. szám)
27/a
• fontos:
– teljes életciklus analízis és a
– közvetett v. járulékos hatás
∙ közegészségügyi, anyagkárosítási, foglalkozási stb. ártalmak
• néhány konkrét példa
– 1 GW teljesítményhez
acél:
szélkerekeknél: 125 t, atomerőműnél 60 t, vízierőműnél 14 t
beton: szélkerék 360 t, atomerőmű 560 t, vízierőmű 1240 t
28
– a naperőmű 6x annyi betont és 30x – 150x annyi fémet
igényel, mint egy hagyományos erőmű
– a geotermikus energia használata során mérgező anyagok,
gázok kerülnek a felszínre és környezeti hőhatás is jelentkezik
– a biomassza égetése finomport és mérgezőanyagokat
szabadít fel (dioxinok, nitrogénoxidok, stb.)
∙ a bioüzemanyag termelése intenzív talajművelést kíván:
növényvédőszerek, műtrágyák, monokultúra)
∙ a fajlagosan legtöbb veszélyes hulladék a napelemek gyártásánál
képződnek
– nem tudjuk a nagymennyiségű H hatását a légkörben
29
b. CO2 kibocsátás az alternatív energiaforrásoknál
• a CO2 szerepe vitatott
– egyre több a kétely
• konkrét példák:
– 8 g/kWó CO2 a vízierőműnél
– 60 g/kWó CO2 a napkollektornál
– a vízlépcsők trópusi környezetben annyi metánt bocsátanak
ki, mint egy földgáz erőmű
– a hidrogént a gépkocsiban előállítva fele annyi a CO2
kibocsátás, mint a belső égésű motorok esetén
30
5. Következtetések
a. Az emberiségnek elengedhetetlenül szüksége van az alternatív
enerigaforrásokra, de
• Ádám József (31/a)
b. Elég-e az alternatív energia-potenciál
• nézzük meg a szakértők véleményét
– Vajda György, Végh-Szám-Hetesi, Kovács Ferenc (31/b)
• a gyors felfuttatásnak különösen vannak akadályai
– Vajda György, Végh-Szám-Hetesi (31/c)
31
„Figyelembe kell vennünk, hogy a megújuló energiafajtáknak is
megvannak a maguk korlátai, környezeti hatásai. Természeti
lehetőségeinkkel a józan megfontolásokat követve kell élni.”
Ádám József
a Magyar Tudomány megújuló energiaforrások
számának bevezetőjében
31/a
„…a megújuló energia hasznosítása terjedni fog, de az illúzió, hogy
kizárólag azzal megoldható az emberiség energiaproblémája.”
(Vajda György)
„…önmagában a megújuló energiák összessége sem tudná fedezni
a világ jelenlegi energiaszükségletét, a 21. század végén jelentkező
többszörös igényeknek pedig csupán a tört részét tudnánk
kielégíteni.”
(Kovács Ferenc)
„…a megújuló erőforrások bővítése még arra sem elegendő, hogy
azt a növekedést fedezze, amelyik a felhasználás során történik.”
(Végh, Szám, Hetesi)
31/b
„Ha a természet rendjét nem akarjuk megzavarni, a megújuló
energiaforrásoknak csak egy viszonylag kis hányadát szabad az
energiaellátásához elvárni.” „…a legsikeresebb fejlesztési tevékenység sem
tudja megváltoztatni, hogy reálisan kiaknázható mértékük sem olyan
kimeríthetetlenül nagy, amint azt sokan feltételezik.”
(Vajda György)
„A napelemek alapanyaga szilícium, éppúgy, mint a számítógépek
mikroprocesszorai esetén, csak ezeket a kristályokat tovább növesztik.
Mivel ez az anyag szolgál alapul a számítástechnika számára is, jelenleg
szilíciumkristályból nincs elegendő, és úgy tűnik, hogy gyártása
jelentősen nem is fokozható. A szilíciumos napelem-gyártás ritka fémeket
(paládium, titán) igényel; vannak nem szilícium alapú napelemek is, de
azokhoz szintén ritka fémekre (gallium, indium) van szükség. 2006-ban már
piaci hiány mutatkozott a legfontosabb alapanyag, az egykristály-szilícium
terén. ”
(Végh, Szám, Hetesi)
31/ c
• az alternatív energiaforrások alkalmazhatósága nagy
mértékben függ a lokális körülményektől
• az általában az alternatív energiaforrások szempontjából
optimista IPCC legújabb (2011) véleménye szerint is
• az IPCC legújabb anyaga
– 2050-re a globális szükséglet 27-77 %-os kielégítését
prognosztizálja
32
c. Mit tegyünk és mit kell tennünk?
• kutatás - fejlesztés
– számos új eredmény van, főleg a „laborok mélyén”
∙ algák a biomassza, mint energiaforrás felhasználásában
(nem foglalnak szántóföldet)
∙ 40 %-os hatásfokú napelemek
∙ hidrogén előállítása fényabszorbeáló elektróda
segítségével
– nem várt felfedezéseket is „várhatunk”
33
• a mag-fúziós kutatásokról se feledkezzünk el!
• a kombinált alkalmazás parancsoló követelmény
• egy szerényebb életszínvonal elfogadása is lehetőség
34
d. Munkám célja nem az elriasztás az alternatív energiaforrásoktól, hanem az illúzió felszámolása
35