Alternatív energiaforrások – egy kritikai megközelítés Berényi Dénes

1. ATOMKI Intézeti Szeminárium Alternatív energiaforrások – egy kritikai megközelítés Berényi Dénes Debrecen 2011. december 15.

2. Alternatív energiaforrások – egy kritikai megközelítés Vázlat • Túlzott optimizmus • Megújuló források megítélése a realitások fényében • „Transzfer” megoldások • Egyéb megfontolások • Következtetések 2

3. Túlzott optimizmus • 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

4. 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

5. Optimizmus a nukleáris energiára vonatkozólag a II. világháború után (5/a, 5/b) • „Negatív oldalak” bemutatása ebben az előadásban • Előrebocsátom: • mai előadásom előzetesnek tekinthető • világviszonylatban sem elég a kvantitatív eredmény és tapasztalat (IPCC) – 5/c 5

6. 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

7. Ennél még sokkal radikálisabban fogalmazott annak idején pl. a Scripps-Howard amerikai hírügynökség a következő képtelen-séget „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

8. „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

9. A megújuló források megítélése a realitások alapján • 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

10. 1. ábra : Az alternatív energiaforrások által hazánkban 2010-ben szolgáltatott energiamennyiség. (Összehasonlításul: Magyarország teljes energiaigé-nye évenként kb. 10 000 PJ) – Nemzeti Fejlesztési Minisztérium adatai alapján. Forrás: http://www.ecotechzrt.hu/ 6/a

11. 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

12. A pellet és a biobrikett 7/a

13. a.2. biogáz • főleg anaerob fermentációval állattartás hulladéktermékeiből, szennyvízből, lakossági hulladékból • a technológia drága • káros gázok is keletkeznek • kénhidrogén, • ammónia, • CO2 (!) 8

14. 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

15. „…nem lenne szabad elkövetnünk azt a hibát, hogy értékes termőföldjeinket bioüzemanyagok előállítására használjuk. Ez igen nagy hiba, és megkérdőjelezi a mezőgazdaság fenn-tarthatóságát.” Werner Arber Nobel-díjas mikrobiológus 9/a

16. 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

17. „…a biomassza elégetésénél nagyobb csapást még nem mért az ember saját magára.” Gyulai István ökológus 10/a

18. 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

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. Víztérfogat (109 font/év) Szeizmikus eseményszám (> 1,2) 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

25. termelési időtartam regenerációs időtartam Hőmérsékletváltozás 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

26. 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

27. c.1. Hőenergiafelhasználás • közvetlen mezőgazdasági felhasználás • napkollektorok • melegvíz • fűtés, világítás • magas beruházási költség • a már felsorolt „immanens” okok 18

28. 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

29. 4. ábra: Naperőmű a Mojave sivatagban. (Nevada, USA) – http://zoldovezet.blogger.hu/ 19/a

30. fotovillamos hasznosítás • elsősorban Si - napelemek • rossz hatásfok ( 10 %) • „legdrágább” (20/a) • szuper-tiszta Si szükséges • hazánkban: 1 millió Eu/1 km2éves 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

31. 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

32. 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

33. 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

34. Transzfer megoldások • kettőről szólunk röviden • a hidrogén, mint üzemanyag (beleértve az un. tüzelőanyag-elemeket is) • széndioxidból előállított metanol • egyik energiafajtát energiabefektetéssel egy másik energiafajtává (célszerűbben használhatóra) alakítunk át • ez „transzfer” szerep 23

35. 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

36. tüzelőanyag-elemek • nagyon drágák • speciális, kis energiaigényű alkalmazásoknál (mobil telefonok) • élettartamuk igencsak korlátos • mérgező termékek a H előállítása során 25

37. b.A metanol „gazdaságnál” • előállításához energiabefektetés • a metanol súlyosan mérgező • előállításánál sok CO2 termelődik 26

38. Egyéb megfontolások • 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

39. „…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

40. 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 tbeton: szélkerék 360 t, atomerőmű 560 t, vízierőmű 1240 t 28

41. 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

42. 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

43. Következtetések • Az emberiségnek elengedhetetlenül szüksége van az alternatív enerigaforrásokra, de • Ádám József (31/a) • 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

44. „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

45. „…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

46. „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

47. 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

48. 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

49. a mag-fúziós kutatásokról se feledkezzünk el! • a kombinált alkalmazás parancsoló követelmény • egy szerényebb életszínvonal elfogadása is lehetőség 34

50. Munkám célja nem az elriasztás az alternatív energia-forrásoktól, hanem az illúzió felszámolása 35