TARTALOMJEGYZÉK 1 Az energiagazdálkodás alapjai és irányelvei Energiagazdálkodás politikai és környezetvédelmi vonzatai

Átírás

1 TARTALOMJEGYZÉK 1 Az energiagazdálkodás alapjai és irányelvei Energiagazdálkodás politikai és környezetvédelmi vonzatai Energiagazdálkodás legfontosabb műszaki alapfogalmai Energiaforrások Hagyományos energiaforrások Földgáz Kőolaj és földgáz Szén Nukleáris energia Hulladék, mint energiaforrás Alternatív vagy megújuló energiaforrások Napenergia Szélenergia Vízenergia Biomassza, mint energiahordozó Geotermikus energia Energia-átalakító rendszerek Erőművekről általában Erőművek csoportosítása Szénerőművek Szénhidrogén-tüzelésű erőművek Hulladékégetők Atomerőművek Urán és a maghasadás Atomreaktor működése Radioaktív hulladékok tárolása Vízenergia hasznosítása Vízerőmű Tározós vízerőmű Árapály-erőmű Napenergia-hasznosítás Napkollektor Napelem

2 3.8.3 Naperőművek Egyéb napenergia hasznosítási módok Szélenergia hasznosítás Szélkerék Kisteljesítményű szélturbina Szélerőművek Geotermikus energiahasznosítás Hőszivattyú működése, jelentősége Geotermikus energiák Talajszonda Talajkollektor HOT-DRY-ROCK: Zárt rendszerű geotermikus energiahasznosítás Gejzírek energiájának hasznosítása Energiaelosztó rendszerek

3 Energiagazdálkodás 1 Az energiagazdálkodás alapjai és irányelvei 1.1 Energiagazdálkodás politikai és környezetvédelmi vonzatai A globális felmelegedés kérdése napjainkban már nemcsak politikai szinten vált fontossá, hanem környezetvédelmi, gazdasági és ezen belül műszaki szempontból is. Először a politikai és környezetvédelmi vonatkozásokról lesz szó. Néhány évvel ezelőtt létrejött az un. Kyoto-i Egyezmény, mely a CO 2 kibocsátás korlátozására, ill. csökkentésére fogalmazott meg az egyes államokra vonatkozó kötelező előírásokat, kvótákat. Mára meg kellett ismerkednünk a tudósok által javasolt fenntartható fejlődés fogalmával, mely biztosítja a jelen szükségleteinek kielégítését anélkül, hogy lehetetlenné tenné a jövő generációk szükségleteinek kielégítését. Egy másik megfogalmazás szerint csak olyan ipari fejlődés engedhető meg, amely még hosszútávon sem veszélyezteti az egészséges földi életet. A fenntartható fejlődés megvalósításában pedig az energiagazdálkodásnak lényeges szerep jut. A környezet változása és a gazdasági fejlődés közötti összefüggésekről már sok elemzés készült. Ezek közül sok modelleket állít a környezet szélsőséges változásának, katasztrófák kialakulásának A Földnépességének alakulása a Földtörténet folyamán: Népesség napjaink jégkorszak 1 6 Idő (milliárd év) 3

4 Megfigyelhető, hogy a Föld népessége egészen a jégkorszakig viszonylag állandó volt. A jégkorszak után rohamos növekedésnek indult a népesség. Ha csak az utóbbi két évszázad technikai fejlődését vesszük, érthető hogy ezzel az emberek jóléte is javult. Ez maga után vonta, hogy a népesség rohamosan növekedett, hiszen például járványok kialakulásának kisebb lett az esélye. A technika fejlődésével azonban nemcsak a népesség szociális helyzete, hanem a gazdaság is gyors fejlődésnek indult. A gazdasági növekedés még napjainkban is tart. A növekvő termelés azonban jelentős hatást gyakorol a környezetre. környezeti javak 1. A környezet semlegesíti a szennyező hatásokat 2. A környezet károsodik 3. Környezeti katasztrófák Anyagi javak A fenti görbe jól mutatja, hogy minél több anyagi javat halmoz fel a társadalom (minél többet termel a valós szükségleteken felül), annál nagyobb problémát okoz a környezetben. 1. Környezeti eltartó képesség - gazdaság kapcsolatának optimista modellje: eltartó képesség gazdaság idő 4

5 Az optimista modell feltételezi, hogy a gazdaság folyamatos növekedésével a Föld eltartó képessége lassabb mértékben, de növekedni fog. Példa lehet erre a modellre a mezőgazdasági földek termőképességének javítása (trágyázás, jobb vetőmagvak előállítása); a környezet asszimiláló képességének növelése (hulladékok lebontása, szennyvizek szellőztetése). 2. A környezeti eltartó képesség - gazdaság önkorlátozó modellje: Az önkorlátozó modell feltételezi, hogy a gazdaság résztvevői józanul gondolkodnak (önkorlátozóak), így csökkenhet a fajlagos anyag- és energiafelhasználás. Példa erre a tengerek és folyók élővilágának változása a különböző szennyezések hatására (ipar és mezőgazdaság által okozott olaj vagy vegyszerek szennyezés). Eltartó képesség Gazdaság idő 3. A környezeti eltartó képesség - gazdaság katasztrófa modellje: Gazdaság Eltartó képesség 5

6 idő A modell a gazdasági túltermelés visszafordíthatatlan vagy csak nehezen, hosszú időtartam alatt visszafordítható környezeti változásokat mutatja. A katasztrófa modellre példa az erdők, esdőerdők kiirtása miatti talajpusztulás, légkörváltozás; illetve egyes vidékeken a túllegeltetés miatti elsivatagosodás. 1.2 Energiagazdálkodás legfontosabb műszaki alapfogalmai 1. A technika állapotváltoztatásokat valósít meg, szemben a természetben emberi beavatkozás nélkül (spontán) lejátszódó folyamatokkal, az állapotváltozásokkal. 2. Erő: Minden test megtartja egyenes vonalú, egyenletes mozgását, vagy nyugalmi állapotát mindaddig, amíg erő nem hat rá. A változás oka Newton törvénye szerint az erő. 3. Energia: A test mozgásállapotának megváltozása nemcsak az erő nagyságának a megváltozásától függ, hanem az erőkifejtő képesség kapacitásától is. Ez a kapacitás az energia. Az univerzum egyik általános tapasztalati törvénye az energia-megmaradás: energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg, csak átalakulhat egyik formából a másikba. 4. A termodinamika az anyag és az energia áramlásával illetve átalakulásával foglalkozó tudományterület. A termodinamikai rendszer az anyagi valóság egy, általunk kiválasztott szempont vagy szempont rendszer szerint elhatárolt része. Az anyagi valóság termodinamikai rendszeren kívüli részét környezetnek nevezzük. A termodinamikai rendszer és a környezet közötti elhatárolás történhet valóságos vagy látszólagos fallal. A fal tulajdonságaitól függően a termodinamikai rendszer és a környezet között kölcsönhatás jöhet létre. Magára hagyott rendszer, mely környezetétől minden kölcsönhatással szemben elszigetelt. A termodinamikai rendszert állapotjelzőkkel (extenzív-tömeg, energia, entrópia, villamos töltés, stb.; intenzív hőmérséklet, nyomás, villamos és kémiai potenciál, 6

7 stb. ) és anyagjellemzőkkel (fajhő, dinamikai viszkozitás, köbös hőtágulási és hővezetési együttható, stb ) jellemezhetjük. 5. Termodinamika 0. főtétele: Magára hagyott termodinamikai rendszer akkor van egyensúlyban, ha benne nincsen makroszkopikus változás, azaz a rendszeren belül az intenzív állapotjelzők homogén eloszlásúak. Más megfogalmazásban: Egymással kölcsönhatásban lévő rendszerek egyensúlyának szükséges és elegendő feltétele, hogy a kölcsönhatásokhoz tartozó intenzív állapotjelzők egyenlőek legyenek. 6. Termodinamika I. főtétele: energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg csak átalakulhat egyik formából a másikba. Ez alapján a rendszer és környezete energiájának összege állandó; amit a rendszer lead, azt a környezete felveszi és fordítva. A rendszerrel közölt hőmennyiség(q) egyik része a rendszer belső energiáját (U) növeli, a másik része munkavégzésre (W) fordítódhat. Q = U + W 7. Termodinamika II. főtétele: (Kelvin szerint) Nem lehetséges olyan körfolyamat, melynek során egy hőtartályból elvont hő, egyéb hatás nélkül, teljes egészében munkavégzésre fordítható lenne. (Clausius szerint) Nem lehetséges olyan körfolyamat, melynek során hidegebb testről önként hő menne át melegebb testre. (Oswald szerint) Nem készíthető olyan periódikusan működő gép, mely munkát tudna végezni kizárólag a környezete termikus energiájának rovására. 8. Termodinamika III. főtétele: Egy termodinamikai rendszer hőmérsékletét nem lehet véges számú lépésben az abszolút nulla értékre csökkenteni. 9. A rendszer energiája ( E) két részből tevődik össze: mechanikai energiából és belső energiából. Erendszer = Emechanikai + U A belső energia (U) a rendszer mikroszkopikus építőelemeinek a tömegközéppontra vonatkoztatott kinetikus és potenciális energiáinak összegeként adódik. A belső energia három részre bontható: a) Érzékelhető belső energia: a belső energia azon része, mely a kémiai hőmérséklet módosítása nélkül változtatható. b) Kémiai belső energia: a kémiai mozgásformák által kötött belső energia 7

8 c) Magenergiák által kötött belső energia Ha például a hőmérséklet-különbséget használjuk, az energiaátalakítás folyamatát addig tudjuk fenntartani, amíg a rendszer egyensúlyba nem kerül környezete hőmérsékletével. Az egyensúly elérésével megszűnnek a számunkra hasznosítható folyamatok és a rendszer belső energiája tovább nem alakítható át. Tehát a belső energia soha nem alakítható át teljesen más energiaformákká, ám a mechanikai, elektromos stb. energia viszont teljes egészében átalakítható belső energiává. 10. Az energetika feladata: az energiaigények gazdaságos és biztonságos kielégítése. Az energetika egy adott gazdasági egységre (üzem, ország stb) vonatkoztatva az egység technikai rendszereinek energiainputjainak és -outputjainak a megfelelő műszaki paramétereken történő, gazdaságilag optimális biztosítását jelenti. Az egység technikai rendszerei energiainputjaik és outputjaik révén kapcsolódhatnak egymáshoz, s alkotnak az egység méreteiből és technikai fejlettségi szintjétől függő bonyolultságban energiaáram-láncokból és -hálózatokból álló egységes rendszert. Mindez lehetővé teszi az energiaáram-hálózat kapcsolódását más gazdasági egységek hasonló hálózataihoz, azaz a rendszerhatáron keresztüli energiainputot és -outputot, (-importot és -exportot) is. Az energetika területei Energiahordozók Energia- Energia- Energia- Energia- termelése termelés szállítás tárolás Az energetika főbb területei felhasználás Az energetika lényegéhez tartozik a biztonságosság és a gazdaságosság, tehát nem csak műszaki területről van szó, s így ha a fenti területeken (energiahordozók termelése, energiatermelés, -szállítás, -tárolás, -felhasználás) a tervezés, fejlesztés, gyártás, létesítés, üzemeltetés teljes rendszeréről beszélünk, akkor az energiagazdálkodás fogalmáról beszélünk. 11. Az energetika technikai rendszereinek feladata, hogy a bemeneti energia(fajta), megfelelő átalakítás után további rendszerek bemenő energiájaként 8

9 szolgáljon, vagy megfelelő helyen és időben a környezetbe kerülve emberi célokat elégítsen ki. Ezek az átalakító rendszerek: - Paramétermódosító rendszer (a be- és kimeneti energiaáram dominánsan azonos energiafajta.) Ilyen például: hőcserélő, villamos transzformátor, mechanikai transzformátor stb. - Energiaváltoztató rendszer (bemeneti energiafajta egy (vagy több) más kimeneti energiafajtává alakítja át.) Például hűtőgép, villamos motor, napelem, atomerőmű stb. - Energiaszállító rendszerek (térbeli energia-transzformációt valósítanak meg) Jellemző példák: elektromos táv-vezetékhálózat, gáz-vezetékhálózat stb. - Energiatároló rendszerek (az energia időben történő transzformációja, állandó paraméterek mellett) Jellemző példa: akkumulátor, kondenzátor, légtározós erőmű nagynyomású tartálya stb. - Állapottartó rendszer (az adott állapottér energetikai paramétereinek konstans értéken tartása) Példa: hűtőgép, légkondicionáló berendezés stb. - output-tartó rendszer (a kimenet egyes energetikai paramétereinek konstans értéken tartása) Jellemző példa: feszültség-stabilizátor, nyomásszabályozó berendezés stb. 9

10 2 Energiaforrások Az energiaforrás számos definíciója közül elfogadható az meghatározás, mely szerint: energiaforrásoknak a természet olyan anyagi rendszereit tekintjük, melyekből technikailag hasznosítható energia nyerhető, az adott társadalmi, politikai, műszaki fejlettségi stb. körülmények között gazdaságosan. Az energiaforrások csak ritkán használhatók közvetlenül technikai rendszerek energetikai inputjaként, (pl. termálvízzel fűtenek egy melegházat), legtöbbször át kell alakítani őket energiahordozókká (pl. ki kell termelni a kőolajat, s megfelelő technológiával előállítani a benzint). A természet energiaforrásainak eredete: a/ a fisszió b/ a fúzió és c/ a gravitáció. A fisszió a földkéregben található nehézelemek bomlása. Közvetlen technikai hasznosítása: az atombomba és az atomerőművek. A természetes radioaktivitásnak a természetes régóta hasznosított termálvizeket köszönheti az emberiség. A természetes fúzió, a könnyű elemek egyesülése a Nap sugárzásának forrása. A napsugárzás mechanikai munkát végez a földi gravitációs erőtér ellenében: fenntartja a hidroszféra és az atmoszféra mozgását (víz és szélenergia). Közvetetten ennek eredménye a biomassza, sőt a fosszilis energiahordozók (ásványi szerek, kőolaj stb.) is. A fúzió közvetlen technikai megvalósulása a hidrogénbomba. A fúziós erőmű megvalósításának legalábbis a technika mai szintjén megoldhatatlan(nak tűnő) akadályai vannak. 2.1 Hagyományos energiaforrások Nem megújuló, azaz hagyományos energiaforrások: az ásványi szenek, a szénhidrogének (kőolaj, földgáz), a hasadóanyagok. Ezekben az esetekben nyilvánvaló, hogy a készletek előbb-utóbb kimerülnek. Ennek időpontját nehéz megjósolni, hiszen újabb készletek felfedezésén túl, az új technológiák is egyre több lehetőséget tesznek kihasználhatóvá, (pl. újrahasznosításokat gazdaságossá). 10

11 A fosszilis tüzelőanyagok folyamatos elégetése azonban nemcsak a készletek mielőbbi kimerülésének veszélyével jár, hanem ökológiai katasztrófa is előrevetít. A környezetbe kerülő káros anyagok megbetegedéseket okozhatnak az élővilág szinte valamennyi egyedében. E tüzelőanyagoknak már a szállítása és tárolása is komoly veszélyekkel jár. (például tartályhajó balesetek, vegyi üzemekben bekövetkezett robbanások) A legnagyobb gondot azonban a föld globális felmelegedésében játszott szerepük okozza. A szén és a szénhidrogének égése közben nagy mennyiségű széndioxid keletkezik, mely a környezetbe jutva felelős az un. üvegház hatás felerősödéséért. Az üvegházhatás azt jelenti, hogy a napból érkező és a föld saját belső kisugárzásából eredő hőmennyiség illetve az ipari tevékenységből származó, de a megszokott földi élethez már felesleges hőmennyiség nem tud a világűrbe kisugárzódni, így az hozzájárul a Föld un. globális felmelegedéséhez. (például ez az oka a szélsőséges időjárási jelenségeknek, az Antarktisz jegének gyorsuló ütemű olvadásának) Földgáz Kőolaj és földgáz A kőolaj szerves, főleg állati eredetű maradványok átalakulási terméke. A tengerben elhalt élőlények szerves anyaga rosszul szellőző tengerrészek iszapjában rothadó iszapot ún. szapropélt képez, melyből különféle szénhidrogének keletkeznek. A keletkezett anyag fokozatosan vándorol a magasabb szintek irányába, ez a migráció. A migráció során egy földtani ún. csapdába kerül, mely megakadályozza a továbbvándorlást. A kőolaj összetételét a 4. ábra mutatja A kőolaj összetétele C 80-88% H 10-14% S <5% 11

12 O <7% N <1,7% Hamu <0,03% 4. ábra A kőolaj fűtőértéke: MJ/kg, mert összetétele viszonylag kis intervallumon belül változik A földgáz összetétele CH % C 2 H 6 0,1-9,5% C n H 2n+2 <16% N 2 <38% N 2 S <15% 5. ábra Érdekességként említenénk meg, hogy a széndioxid tartalom még szélsőségesebb értékek között változhat, 0 %-tól akár a 75 %-ot meghaladó értékig (pl. Magyarországon Mihályi és Répcelak környékén) Szén A fa, mint tüzelőanyag, kedvező tulajdonságokkal rendelkezik, mivel alacsony a kénés hamutartalma; ugyanakkor hőtartalma meghaladja a gyengébb minőségű barnaszénét. Elégetése után leválasztott égésterméke a fahamu pedig környezetbarát; talajjavításra és tápanyagpótlásra használható. A növényi anyagok szénné alakulásának két fő szakasza van: a/ A lerakódás és az ezzel kapcsolatos felszíni átalakulás, eredménye a tőzeg. b/ A nagy nyomás és hőmérséklet hatására a földkéregben létrejövő metamorfózis, a szénülés. A szénülés során a tőzeg fokozatosan átalakul, s lignit, barnaszén, feketeszén majd antracit keletkezik. A széntartalom és a kémiailag kötött energia változását a szénülés foka szerint a 3. ábra mutatja. Szénfajták Széntartalom [%] Energiatartalom Q[MJ/kg] 12

13 tőzeg ,3-7,5 lignit ,0-8,4 barnaszén ,4-24 feketeszén antracit ,5 3. ábra A szénülés során csökken a hidrogén és oxigéntartalom, amely a növényeknél 6, illetve 44 % körüli érték volt, az antracitnál nem éri el a 2, illetve 4 %-ot. Az ásványi szenek a karbon és hidrogén mellett más éghető és nem éghető anyagokat is tartalmaznak. Az éghető gázok (ún. illóanyagok) égéskor elégnek és eltávoznak, az éghetetlen szilárd anyag a hamu visszamarad. A magyarországi szenek leggyakoribb hamualkotói: a kovasav (SiO 2 ), az alumíniumoxid (Al 2 O 3 ), a vasoxid (Fe 2 O 3 ), a foszforpentoxid (P 2 O 5 ) és a kalciumoxid (CaO). A szén tüzeléstechnikai értéke annál nagyobb minél kisebb a nedvesség- és hamutartalma. A szén durva nedvességtartalma a hótól vagy a mosóműből kerül a szénbe, a higroszkopikus nedvességtartalmat pedig a szénfelület abszorbeálja, s a szénben lévő kapillárisok tárolják. A szénben három féle hamu van. a/ Primer hamu: olyan ásványi anyag, mely még szén ősét jelentő fában is megtalálható volt. Csak különleges eljárásokkal távolítható el. b/ Szekunder hamu: a szénülés folyamatában a geológiai rétegmozgások következtében keveredett a szénnel. Eltávolítása az ún. flotálás, mely során a flotálómedencében a szén és a meddő fajsúlykülönbségét használják fel a szétválasztásra. c/ Tercier hamu: a bányászati folyamat során a szénbe kerülő meddő. Eltávolítása egyszerű, ez az ún. szénmosás. A kokszolás, más néven szénlepárlás a szénnek a levegőtől elzárt helyen történ hevítése. Az eljárás terméke a kohókoksz, mellékterméke az ún. városi gáz. Szénlepárlásra a legalább 25 % illóanyag-tartalmú szének a legalkalmasabbak. Nagyobb illóanyagtartalmú szenet is szoktak kokszolni a gázhozam növelése érdekében, de az így nyert koksz minősége rosszabb, csak háztartási fűtőanyagként 13

14 használható. A kokszolás nagy teljesítményű ún. kamrás kemencékben történik, melyekbe tonna szenet öntenek be. A kokszolás során a következő folyamatok zajlanak le: 100 C-ig a szén kiszárad C között: a kötött állapotú víz kiválik, széndioxid, kénhidrogén bomlik le, a gyantaanyagok eldesztillálnak C között: a szén megolvad, kátrány (a kokszolás másik mellékterméke) és szénhidrogén gázok keletkeznek C között : a kátrányképződés befejeződik, kialakul a félkoksz szerkezet C között: történik a gázképződés 700 C felett: a szénhidrogének elbomlanak, hidrogén keletkezik, a szén megszilárdul, s egyre tömörebb kokszszerkezet alakul ki. Nagyobb hőmérsékleten a szén grafit formájában szilárdul meg, a koksz ezüstös színűvé és nagy szilárdságúvá válik. Ha szenet elgázosító közeg segítségével tökéletlenül égetjük el, salak és éghető alkotórészekből álló gáz keletkezik. A széngázosítás célja nem fűtőgáz, hanem vegyipari, vagy más ipari célokat szolgáló gáz előállítása Nukleáris energia Az előzőekben tárgyalt fosszilis energiahordozók, a szén, a kőolaj és a földgáz a földtörténet őskorából ránk maradt napenergia-tárolóknak tekinthetők, míg a hasadóanyagok a szupernóva robbanások során létrejött magfúziók eredményét őrzik. Az urán hasznosítható energiatartalmát J/kg-nak tekinthetjük. A semleges atomokban a protonok és az elektronok száma azonos, ez a rendszám (Z), azaz az atom helye a periódusos rendszerben. A protonok és neutronok (N) számának összege az atommag tömegszáma (A). A= Z+N 14

15 Egyes atommagokban a protonok száma eltérő lehet, ezek az illető atom izotópjai. Például a 92-es rendszámú urán 238-as tömegszámú izotópja N= = 146 neutront tartalmaz. Jele: U. EK: az atommag kötési energiája Ek/A: az egy nukleonra eső fajlagos kötési energia. (1eV energiát jelent, ha egy elektron 1V feszültségkülönbségű térben áthalad 1eV=1,60219x10-19 J) A fajlagos kötési energia változása a tömegszám függvényében rámutat az atomenergia-felszabadítás két lehetőségére a fúzióra és a fisszióra. A fúzió az atommagok hasadásával, a fisszió pedig atommagok egyesítésével szabadít fel nagy mennyiségű energiát Hulladék, mint energiaforrás Környezetvédelmi, gazdasági és műszaki okok miatt szükségessé vált, hogy a hulladékokat valamilyen módon tárolják, hasznosítsák vagy megsemmisítsék. A hulladékártalmatlanítás legegyszerűbb és költség szempontjából kedvezőbb megoldása a rendezett lerakás. A hulladékok kezelésének másik változata a hasznosítás / újrahasznosítás (recycling). Az utóbbi időben nagy teret hódított magának a termikus hulladékhasznosítás. Előnyeként említhető, hogy a hulladék térfogat-, és veszélyességi mértékének csökkenését eredményezi. Ezen kívül az égetés során keletkező hőmennyiséget 15

16 energetikailag hasznosítani lehet. Eme eljárás hátránya, hogy az égetés folyamán mineralizálódó hulladékból levegőt szennyező gázok szabadulnak fel és távoznak a füstgázzal. Ez a hátrány azonban korszerű füstgáztisztító rendszerek kiépítésével - jóllehet költséges, de kiküszöbölhető. 2.2 Alternatív vagy megújuló energiaforrások Megújuló energiaforrások: a nap-, a szél-, a vízenergia, de ide sorolhatjuk az ár-apály energiáját, a geotermikus energiát, s még folytathatnánk a sort. Ezen energiaforrások megújulását a felhasználás mértéke nem befolyásolja. Helyes gazdálkodás, a felhasználás helyes mértéke mellett megújuló energiaforrás a fa vagy a biomassza is. Ez utóbbiaknál azonban a helytelen (rabló)gazdálkodás mint azt sajnos a Föld több országában láthatjuk ezeket az energiaforrásokat is nem megújulóvá teheti, ami általában ökológiai katasztrófát (elsivatagodás stb.) jelent Napenergia Ma már tudjuk, hogy a Földön az életet a Nap melege, a Nap sugárzása teszi lehetővé. A növényekben elraktározott szerves vegyületek létüket a Nap melegének köszönhetik. A kőolaj, a földgáz, a szén létrejötte a Nap melegére vezethető vissza. A Nap melege emeli a tavak, tengerek, folyók elpárolgó vizét a felhők közé. Innen jut a csapadék a hegyekbe, a hegyekből lezúduló víz pedig felhasználható energiát ad. A napsugárzásra vezethető vissza energiaforrásaink jelentős része. Évezredek óta sejti, tudja az emberiség, hogy számára milyen fontos a Nap, mely több, mint 2700 éves. Az emberiséget mindig érdekelte, hogy a Nap energiaforrásának mi az oka. Az ókorban úgy képzelték, hogy a Nap melege a Napon égő tűztől származik. Kant, német filozófus a XVIII. században úgy gondolta, hogy a Nap éghető anyagból áll, és az égitesten lévő oxigénnel történő egyesüléssel, égéssel adja melegét. Robert Mayer 1848-ban arra gondolt, hogy a Nap hőenergiáját a beléhulló meteorok táplálják. Helmholtz, német fizikus azt feltételezte, hogy a Napnak a saját anyaga 16

17 zuhan egyre az égitest középpontja felé, és az ebből származó energiaváltozás alakul át hővé. A megoldást Albert Einstein elmélete adta meg, mely szerint bármely nyugalmi tömegű testben igen nagy energiamennyiség van elraktározva. Ez az energiamennyiség felszabadulhat sugárzási energiává. Ilyen energiaforrás fedezheti a Nap sugárzási energiáját is. A nap összes sugárzó teljesítményéből mintegy W ékezik a Földre. Ez óriási mennyiség, 5000-szer nagyobb, mint amennyit a Föld az összes többi energiaforrásból nyer, s 15 perc alatt a Földre jutó energia több, mint amennyit az emberiség évente felhasznál. A világűrből érkező sugárzás és a világűrbe távozó hő normál körülmények között egyensúlyban van (. ábra). A földi élettel és az emberi tevékenységgel járó csekély hőáramok (technikai hőfejlesztés és a növények által hasznosított hő) azok, amelyekkel az egyensúlyt - sajnos rossz irányban - befolyásolni lehet. Ez történik jelenleg: a technológiai szén-dioxidtermelés határozottan befolyásolja a légkör sugárzás-átbocsátó képességét. A kényes egyensúly felbillent, a Földön többlethő marad (üvegházhatás)...ábra: Sugárzás és hőáramok egyensúlya Nagyon sok és egyre szigorúbb mérést végeztek az úgynevezett napállandó meghatározására. A napállandó az a számérték, amely megadja, hogy átlagos Föld- Nap távolságban, a légkör felső határán, a sugárzás haladási irányára merőleges 17

18 egységnyi felületre időegység alatt mennyi energia esik. Ma elfogadott átlagos értéke 1353 W/m 2. Mivel a Föld a Nap körül ellipszispályán kering - melynek egyik gyújtópontjában van a Nap - ezért a Nap - Föld távolság folyamatosan változik, így a napállandó ennek megfelelően 1307 W/m 2 és 1398 W/m 2 között változik az év során. A napsugárzás intenzitása a légkörön való áthaladáskor csökken: a légkör alkotórészei részben elnyelik, részben visszaverik és megtörik a sugárzást. A légkör határáig párhuzamosnak tekinthető sugárnyalábok egy része a légkörben szórt (diffúz) sugárzássá alakul. A ténylegesen a Földre érkező energia elsősorban a felhőzet mennyiségétől függ. A legtöbb besugárzást júliusban kapjuk, annak ellenére, hogy a nappalok már valamivel rövidebbek; a Nap delelési magassága kisebb, viszont a felhőzet mennyisége csekélyebb, mint nyár elején. Az évente napenergiából előállított energia mennyiség előreláthatóan 2010-re eléri az 5000 MW-ot, elegendő energiát szolgáltatva 7 millió embernek, és 46 millió hordó olajat fog a napenergia felhasználása évente kiváltani. Érdekesség, hogy a Föld sivatagaira jutó napenergia-mennyiség 1%-a ki tudná váltani a teljes fosszilis energia felhasználást. A napenergiát nemcsak ipari átalakítók hasznosítják - elsősorban elektromos energia termelésre-, hanem egyedi háztartások is alkalmazzák főleg fűtésre vagy melegvíz előállításra Szélenergia A légkör alsó rétegeiben végbemenő légáramlást - a szelet - a Nap sugárzó energiája hozza létre. A napsugárzás a Föld felületét érve elnyelődik és átalakul hővé. Az így keletkező hő nagy része kisugárzódik és a légkört melegíti fel. A felszálló meleg levegő helyébe a hidegebb levegő áramlik. 18

19 A trópusi területeken felmelegedő légtömegek a sarkok felé veszik útjukat (ez a magassági szél az antipasszát). A sarkok felé haladó légtömegek pályája a Föld gömbjéhez igazodva fokozatosan leszűkül, és miközben lehűl, a nyomásuk és súlyuk megnő. A leszálló hideg légtömegek a földfelszín közelében az egyenlítő irányába haladnak a trópusok irányába, ezt nevezzük passzátszélnek. Az egész Földet átfogó légáramlások mellett megfigyelhetők ezeknek a leáramlásaik, illetve a helyi estinappali eltérő áramlatok, vagy a tenger felől a szárazföld felé tartó áramlatok. A szélenergiát évezredek óta hasznosítja az emberiség (pl. vitorlás hajó). A múlt század végén Hollandia és Dánia területén mintegy százezer szélmalom működött. Tehát hajózáson kívül szivattyúzásra, gabonaőrlésre fogták a szélenergiáját. Ezeket a berendezéseket különböző szempontok alapján lehet csoportosítani, mint például méret, felhasználási terület, megtermelt energia fajtája. Hasznosítási lehetőség alapján a három fő csoport: (lsd. Bővebben 3.9 fejezetben) Szélkerekek Kis teljesítményű, vagy mikro-szélturbinák Nagy teljesítményű szélerőművek 19

20 A szél mozgási energiáját 100 TW-ra becsülik, ennek persze csak kis része hasznosítható, de a szélenergia "megszelídítése" nem "szélmalomharc", az alternatív energiatermelés lehetőségeinek egyike Vízenergia A vízkörforgásban miután egyetlen 1 kg víz elpárologtatásához, s a felhőkbe juttatásához 2700 kj kell óriási energiák működnek. Hozzávetőlegesen a Napból Földre jutó energiamennyiségnek kb. 23 %-a a víz körforgásának fenntartására fordítódik. Ennek az energiának mintegy 99 %-a a párolgás-lecsapódás átalakulásához szükséges. A párolgás-lecsapódás energiaátalakulása számunkra kihasználhatatlan. A megmaradó töredék a földfelszínen mozgó víz helyzeti és mozgási energiája. Az állóvizek csak helyzeti és nyomási energiával rendelkeznek, de az áramló vizeknél ezek mellett a mozgási (kinetikai) energia is megjelenik. Vízenergián ezen energiák összességét értjük. Ennek technikailag gazdaságosan hasznosítható része még így is 5 millió MW-ra becsülhető. Az ún. bruttópotenciált (WPP= Water Power Potential) egy adott keresztmetszetre a sokévi átlagos térfogatáram( Q ) és az adott folyószakasz kezdő- és végmagassága közötti vízszintkülönbség( H) alapján számítható a Bernoulli egyenlettel, szorozva az aktuális időtartammal( t). WPP= 9,81 Q Hρ t Biomassza, mint energiahordozó Biomasszának nevezzük azokat a növényi anyagokat, mezőgazdasági illetve erdészeti hulladékokat és melléktermékeket, melyeket tüzelőanyagként energiatermelésre lehet használni. Biomassza energetikai eljárásokkal előállítható biodízel, bioetanol, biobrikett és biogáz is. Összehasonlításként a biomassza energiává alakításakor csak a növények által rövid idővel azelőtt megkötött széndioxid mennyiség kerül a légkörbe, ám a fosszilis energiaforrások (szén, kőolaj, földgáz) a több ezer évvel ezelőtt megkötött (többlet) széndioxiddal terhelik a környezetet. 20

21 Biogáz hasznosítás - bioüzemanyagok A Metán biológiailag lebontható hulladékból is előállítható. Magasabb hőmérsékleten ég, mint a földgáz ezért kevesebbre van szükség belőle ugyanannyi energia előállításához. A metán gáz előállításához és tárolásához már van megfelelő technológia és a harmadik világban gyakran alkalmazzák is. A trágyából oxigéntől elzártan metángáz termelődik, melyet- ha elegendő keletkezik- generátorokat is meghajthatnak vele, így jutván elektromos áramhoz. Másik alkalmazási példája a dieselmotor. A biodízel előállítására mezőgazdasági növények alkalmasak. Elállítható például repcéből, napraforgóból. Ezen növényolajok metilésztere a biodízel. A biodízel előnye, hogy - a keletkező égéstermékek károsító hatása kisebb a gázolajhoz képest; a kipufogó gázok kén-dioxid tartalma gyakorlatilag nulla. Gázolaj esetén ez az egyik legkritikusabb szennyező, mivel számos betegséget (bronchitis, asztma) és savas esőket okoz. Kiemelendő még, hogy a biodízel kipufogógázokban lényegesen kevesebb policiklusos aromás szénhidrogén található, melyeknek rákkeltő hatásuk van. - Biodízel használatával zárt körfolyamat valósul meg: a kipufogógázokkal a környezetbe jutó szén-dioxidot a növények fotoszintézis során hasznosítják. Hátránya lehet, hogy a mezőgazdaság termelési viszonyaitól, lehetőségeitől függhet az előállítása. Az alkoholok, mint üzemanyagok rég óta használatosak, bár ilyen formájú előállításuk nehezebb. Ahhoz, hogy üzemanyagként használhassuk őket, fokos alkoholra van szükség. Jóllehet az alkohol tisztán ég és nem keletkeznek környezetszennyező égéstermékek, de igen korrozív hatásúak. A metilalkohol mindez mellett még mérgező hatású is. A fa gázosítása, más néven üzemi gáz gyártás, feltehetőleg a legbiztonságosabb módja az alternatív üzemanyag gyártásnak. Gáz előállítása szilárd fából egyszerű technológiai lépés. Ennek egy módja egy jól megtervezett égő, ami a fát és a levegőt kombinálja. Kétféleképp állíthatunk elő fagázt elégtelen égéssel, vagy destruktív desztillációval. Destruktív desztilláció fő terméke a metán (~75%), de más üzemanyagformák is keletkeznek (~25%). Mindkét eljárás könnyen kezelhető üzemanyagot ad, ami alkalmas a fosszilis üzemanyagok, földgáz és 21