Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Atomfizikai Tanszék Szakdolgozat A napenergia hasznosítása a családi házakban Készítette: Husvéth Rita biológia-környezettan tanár szak Témavezető: Horváth Ákos Tanári konzulens: Böddiné Schróth Ágnes Budapest, 2007 Eötvös Loránd Tudományegyetem
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 1.1. A 21. sz társadalmainak energiakérdése, fosszilis energiahordozók felhasználásának problémái 1 1.2. Megújuló energiaforrások a világon 10 1.3. Energiapolitika az EU-ban és Magyarországon..17 1.3.1. Energiahatékonysági célkitűzések, energiatakarékossági támogatások Magyarországon..20 1.3.2. Kibocsátási kvóta, emissziókereskedelem..23 2. A napenergia hasznosítása a családi házakban 2.1. A napenergia-felhasználás története 25 2.2. A napenergia hasznosításának tudományos háttere 2.2.1. A napsugárzás 36 2.2.2. A földre jutó napenergia sorsa, és a napsugárzás energetikai kérdései...39 2.2.3. A felhasználható napenergia számításának fizikai alapjai.42 2.3. Magyarország napenergia-potenciálja.43 2.4. Napenergia felhasználhatóságának lehetőségei az épületgépészetben 2.4.1. Napházak a 20. század elején.45 2.4.2. A napenergia felhasználásának modern módszerei:.46 2.4.3. A passzív napenergia hasznosítás általános, legfontosabb elemei 53 3. A passzív napenergia-felhasználás optimalizálása egy most épülő energiatakarékos családi ház esetében. 3.1. Az energiatakarékos háztervezés.56 3.2. Az ablakok passzív napenergia-nyereségének számítása...62 3.3. A szerkezeti falak minősége 65 3.4. A passzív napenergia hasznosítását támogató építészeti megoldások segítségével megtakarított energiamennyiség előzetes becslése...67 3.4. A napenergia aktív hasznosításának lehetősége, elsősorban melegvízkészítésre 75 3.5. A bemutatott példaház és ehhez hasonló műszaki tulajdonságokkal rendelkező házak költségeinek és megtakarításainak áttekintése 80 4. A megújuló energiaforrások tanítása 4.1. A környezeti nevelés célja..85 4.2. A környezeti nevelés története fejlődése.86 4.3. Környezeti nevelés megjelenése a Magyar törvényekben..87 4.4. A környezeti nevelés színterei, módszerei, eszközei...90 4.5. Energiatakarékosság, megújuló energiák tanítása a tanórán a középiskolában..91 4.6. A megújuló energiafelhasználás oktatása tanórán kívüli iskolai foglalkozás keretein kívül.95 5. Összegzés 6. Mellékletek 2
1. Bevezetés 1.1. A 21. sz társadalmainak energiakérdése, fosszilis energiahordozók felhasználásának problémái. Az energiaellátás az emberiség egyik legnagyobb problémájává és a technika ill. természet- és műszaki tudományok legnagyobb kihívásává válik a 21. században. Civilizációnk fejlődésének alapja az energiahordozók felhasználása, minél nagyobb mértékű kiaknázása. Kezdetben ez csupán az emberi és állati izom -energiát, ill. a természet megújuló energiáinak (víz, szél, biomassza) használatát jelentette később, pedig a fosszilis energiahordozók felfedezésével és a gépek megjelenésével, végül is eljutottunk a mai kor, döntően fosszilis tüzelőanyag ellátáson alapuló társadalmi, gazdasági felépítéséhez. Az energiahordozók felhasználásának robbanásszerű növekedését az ipari forradalom hozta el. Ez egyben a környezetszennyezés forradalma is volt. Ettől kezdve romboljuk környezetünket és éljük fel a rendelkezésünkre álló energiahordozókat. Az emberiség energiaigénye, azóta folyamatosan növekszik. Csak 1970 és 2002 között mintegy 90%-kal nőtt a felhasznált energia mennyisége.(1. ábra) Gazdaságkutató szakemberek egyetértenek abban, hogy ez a tendencia a XXI. században is tovább tart majd. A világ népessége folyamatosan nő, 2050-re az ENSZ előrejelzése szerint a mostani 6-ról 10 milliárdra. 1. ábra. A világ energiafogyasztása 1970- várhatóan 2020-ig (Forrás: 2004 Magyar Euratom Fúziós Szövetség) 3
Jelenleg a fejlett országok (OECD) a világ energiaforrásainak több-mint felét használják, pedig népességük a világ népességének csak alig 20 %-a. A fejlődő országokban az egy főre jutó átlagos energiafogyasztás hatoda a fejlett országokéinak. Ez a jövőben biztosan megváltozik. A népesség növekedést elsősorban egyes régiók kimagasló demográfiai növekedése okozza. Ezek a területek pedig, pont a fejlődő országok. Ha a következő 50 évben, akár csak kétszeresére nő az egy főre jutó energiafelhasználás a fejlődő országokban (ami biztos), a várható népességnövekedéssel együtt ez legalább kétszeres energiafelhasználást eredményez. Egyes országok (távol-keleten, Kína, India területén, dél- amerikai régióban) gazdasága igen gyorsan növekszik. Ezek az országok egyrészt új felvevőpiacot jelentenek az olajiparnak, másrészt hasonlóan a fejlett világ gazdaságaihoz képest először egyre növekvő mértékű energiaigényt, ezzel együtt növekvő CO 2 kibocsátást eredményeznek. Miért is lenne ez másként? Talán pont ezekkel a lehetőségekkel számolva, a vezető olaj szén és gázexportőrök, a gazdaság törvényszűrségei alapján, alacsonyan tudják tartani az árakat. Ez a világ minden országára nézve késlelteti az alternatív energiahordozók használatának elterjedését Fosszilis tüzelőanyagok -olaj -szén - földgáz Nukleáris energiahordozók Hasadó anyagok: -urán - tórium Megújuló energiaforrások -vízenergia -szélenergia -napenergia -árapály-energia 1. táblázat Az energiahordozók palettája Fúziós anyagok: -hullámenergia -geotermikus-energia -trícium -óceánok hőáramlási energiája -deutérium - biomassza Az 1. táblázatban listáztam az energiahordozókat. Jól látszik, nem csak a fosszilis készletek állnak rendelkezésre az energetika számára. Ennek ellenére jelenleg az emberiség energiaszükségletének túlnyomó részét, majdnem 80%-át olaj, szén és földgáz elégetéséből nyeri. 4
Ezek a források természetesen egyszer elfogynak, kérdés csak az, mikor? 2. ábra. Az olaj felhasználás növekedése 1970-várhatóan 2020-ig (Forrás: 2004 Magyar Euratom Fúziós Szövetség) Legfőbb energiaforrásunk közel 35%-kal az olaj, főként azért, mert a közlekedés és szállítás túlnyomó része erre az energiaforrásra épül és ez a közeljövőben biztosan így is marad. A felhasznált napi 80 millió hordós mennyiség évi 2-3%-al nőni fog a következő 20 évben. Becslések szerint a jelenlegi felhasználási ütem mellett körülbelül 20-30 évre elegendő (Kiss-Horváth: 2006) az úgynevezett hagyományos olajkészlet, vagyis amit a mai olajkutakkal termelünk ki (persze valószínű, hogy ez a szám azért valószínűleg nagyobb. Az előbbi érték csak az, amit ma becsülnek a szakemberek, és ami a feltárások folytatásával valamelyest nőhet). A Föld mélye még ennek 2-3 szorosát rejti magában olyan formában, melyet csak nagyobb energia befektetéssel és drágább technológiák alkalmazásával lehet a felszínre hozni. Az úgynevezett nehézolaj, a kátrányhomok, és az olajpala azokat a készleteket alkotják, melyeket ma ugyan még nem hasznosítanak az alacsony piaci árak miatt, de amint a hagyományos készletek fogyása miatt jelentősen megnőnek az olajárak, gazdaságossá válhat kitermelésük. 5
3. ábra. A földgáz felhasználás növekedése 1970- várhatóan 2020-ig (Forrás: 2004 Magyar Euratom Fúziós Szövetség) A földgáz az a tüzelőanyag, amelynek felhasználása gazdasági és környezetvédelmi okokból (abban az értelemben, hogy elégetése kevesebb káros anyag emissziót eredményez, és hatásfoka is nagyobb) kifolyólag is a legerőteljesebben növekszik. A gázturbinás erőművek világszerte terjedőben vannak. 1999 óta egyre több energiát termel földgázzal az emberiség. 4..ábra. A szénfelhasználás növekedése 1970- várhatóan 2020-ig (Forrás: 2004 Magyar Euratom Fúziós Szövetség) A szénnek, amely a XIX. században még a gazdasági fejlődés motorja volt, egyre csökkenő részesedése van az energiatermelésben. Bár éves felhasznált mennyisége, főleg India és Kína "jóvoltából" 2020-ra mintegy 40%-kal növekszik, az összes energia felhasználás ennél gyorsabban nő, ezért a szén részaránya egyre alacsonyabb lesz. A Föld készletei a mai fogyasztás mellett egyes szakemberek szerint még mintegy 200-300 évre elegendőek.(kiss-horváth:2006) Egy ENSZ megbízásából készült tanulmány szerint 2000-ig a világ szénkészletének mindössze 2%-át használták el, és még hosszú 6
ideig fedezhet az energiaszükségletet a rendelkezésre álló szénvagyonból. Változatlan felhasználást alapul véve a biztosan kitermelhető kőolajkészletet kb. 40 évre (2043-ig) becsülik. Ehhez hozzávéve a ma is feldolgozható olajpala és olajhomok készletet, a becsülhető időtartam 100 évnél több lehet.(szenti: 2006) Érdekes, hogy pl. a magyarországi energetikus társadalom egy jó része lát óriási lehetőséget a magyar lignit bányászatban, az energiahordozók tekintetébeni importfüggőség megszüntetése miatt. Hasonló megfontolásokat követ néhány EU-s tagország is. Sajnos úgy tűnik még mindig nagyobb hajlandósággal, gondolkodnak a szakemberek a hagyományos energiaforrásokban mintsem nagy erőkkel az alternatívát keresnék) Az a tény, hogy az emberiség ma a fosszilis tüzelőanyagokra építi civilizációját, két fő problémát vet fel: 1. A jelenlegi energiastruktúra a készletek fogyása miatt már a század végéig sem tartható fenn. Ma úgy számolhatunk, hogy legkésőbb a 2050-es években mindenképpen hiány jelentkezik. Ez persze még nem holnap lesz, de a most fiatal generációkat már érinteni fogja. 2. Az energiahordozók kimerülésénél is nagyobb problémát jelent azonban, az óriási környezetszennyezés, amit a fosszilis tüzelőanyagok használata okoz. Ez egyrészt azoknak a kén és nitrogén oxidoknak köszönhető, amelyek a levegőbe kerülve közvetlenül felelősek a légzőszervi megbetegedések számának növekedéséért, a savas esőkért, a talaj és az édesvizek savasodásáért, a nagyvárosi szmogért. A Föld jövője szempontjából azonban van még egy ennél jóval jelentősebb környezetszennyező hatás: az üvegházhatást okozó gázok keletkezése. Egyik legjelentősebb ezek közül a CO 2 (emellett a víz, a metán és a salétrom oxid játszik fontos szerepet). A legtöbb üvegházhatást okozó gázt a szén elégetése termeli. Ma az egyre növekvő CO 2 kibocsátás 50%-áért az olaj, 30%-áért a szén, 20%-áért pedig a földgáz a felelős. Évezredekig az emberiség energiaigényét (hőigényét) a fa és más növényi szervezetek eltüzelésével elégítette ki. Az ezek elégésénél felszabaduló széndioxid a fejlődő növényzetbe beépült, így az egyensúlyban nem történt változás. Persze azt sem szabad elfelejteni, hogy jóval kevesebb ember igényeiről volt szó. A CO 2 kibocsátás az ipari 7
forradalom kezdetétől folyamatosan nő. Az ipari forradalom kezdetétől rohamosan növekvő szénfogyasztás olyan tömegű CO 2 -t bocsát ki, melyet az egyre fogyatkozó növényzet már nem tud feldolgozni és növeli az üvegházhatást. 1850-óta a légkör CO 2 tartalma 290-300 ppm-ről 370-380 ppm-re növekedett. Azóta a Föld légkörének hőmérséklete 0,9 C-kal emelkedett. Ami aggodalomra ad okot, az, hogy ebből 0,7 C az utolsó 30 évben állt elő és a változást leíró grafikon exponenciális emelkedést mutat. 5. ábra. A CO 2 kibocsátás alakulása 1990-től kezdődően. (Forrás: 2004 Magyar Euratom Fúziós Szövetség) Jelenleg a fejlett országok felelősek a CO 2 kibocsátás 50%-áért, ennek felét egyedül az Egyesült Államok okozza, ennek ellenére politikai vezetésük mereven elzárkózik az emisszió csökkentésével kapcsolatos egyezségek és törekvésekben való részvételtől. Sajnos a fejlődő országok iparosodása azt eredményezi (már fentebb is említet okokból), hogy CO 2 kibocsátásuk a jövőben jelentősen megnő, és 2020-ra átvehetik a vezető szerepet. Persze, mint mindenhol a klímaváltozás témában is találkozhatunk a szkeptikusok véleményével, akik szerint csupán egy periodikus felmelegedésnek vagyunk résztvevői, amilyenek kb. 10.000 évenként követik a lehűléseket. Ennek ellentmond, hogy a geológiai vizsgálatok tanúsága szerint a felmelegedés, ill. lehűlés üteme kb. 1000 évenként volt 1 C, tízszer lassúbb, mint a most mért. De ha nem is lenne teljesen bizonyítható az emberi hatás a klímánkra, akkor is alá tudjuk támasztani azt a tényt, hogy az évmilliókal ezelőtt felhalmozódott és raktározódó, ha úgy tetszik a természetes Földi anyag és energia-körforgásból földtörténeti léptékben időlegesen kivonódott szén 8
felszabadítása körforgásba visszajuttatása emberi léptékben mérhető idő alatt biztosan hatással van a felszíni, vagy akár légköri folyamatokra. Egy működő egyensúlyi rendszerként kezelve a világot annak élő es élettelen részét egyaránt el kell fogadnunk, hogy minden, mindennel összefügg, emiatt a folyamat bármely pontján beavatkozva, változást érünk el az azt követő folyamatokban. A fosszilis energiahordozók felváltására sokáig csak egy alternatíva volt elfogadott, ez a nukleáris energia. Az atomreaktorok a II Világháború után kapcsolódtak be az energiatermelésbe. Részesedésük azóta folyamatosan növekedett, ma a világ energiafelhasználásának közel 7%-át biztosítják atomenergia termeléssel (az atomenergia az elektromos energia termelésből 17%-al veszi ki a részét, ez Magyarországon 40%). Az atomreaktorok üzemanyagát uránércből nyerik. A benne lévő uránnak csak 0,7%- a hasadóanyagnak alkalmas 235U, amelyet aztán mesterségesen feldúsítanak, és ebből készül az erőműben használt fűtőelem. A jelenlegi felhasználási ütem mellett (mely ma úgy tűnik, többé-kevésbé állandó marad) a Föld mélye 40-50- évre elegendő uránt rejt magában. Nukleáris szakemberek azonban kidolgoztak egy olyan technológiát, amely segítségével a földben, hatalmas mennyiségben megtalálható tóriumot, mely eredetileg nem alkalmas hasadóanyagnak, át lehet alakítani üzemanyaggá. Az eljáráshoz úgynevezett tenyésztő reaktorokat kell építeni. Ha ez a ciklus megvalósul, akkor a tórium készletek még további 2-3000 évre (!) elegendő energiaforrást biztosítanak Földtani felmérések szerint világ jelenlegi ismert uránérckészlete 18700 kt U 3 O 8, az éves termelés, pedig 1999-ben 308 kt volt. Legalább ugyanennyi a még fel nem tárt, potenciális uránérc-vagyon. A világ tóriumérc-készletei nagyságrendben megegyeznek az uránércével, és ezeket eddig nem vonták termelésbe.(bárdossy: 2001) Valóban az atomerőművek, nem bocsátanak ki káros anyagokat, és normál körülmények között a környezet radioaktív anyagokkal való terhelése is elhanyagolható azonban az elhasznált, de erősen radioaktív fűtőelemeket, valamint a működés során, és az atomerőmű lebontásakor keletkező, szintén radioaktív hulladékokat biztonságosan tárolni kell. Az atomenergia tehát egy olyan ellentmondásos energiatermelési forma, 9
mely bár képes lenne biztosítani az emberiség energiaszükségletét, számos veszéllyel is jár. 1.2. Megújuló energiaforrások a világon A megújuló energiaforrásokról főleg az utóbbi két évtizedben a környezetvédelem és a fenntarthatóság kapcsán nagyon sokat lehetet hallani. Megújuló energiaforrásoknak nevezzük mindazokat az energiafajtákat, melyek az emberi felhasználás eredményeként nem csökkennek, vagy a felhasználás ütemében újratermelődnek. A zöld szervezetektől mást sem hallani, mint hogy az emberiségnek a környezetszennyezés csökkentése és a fenntarthatóság biztosítása érdekében a fosszilis tüzelőanyagok, és az atomenergia használata helyett a megújuló energiaforrásokra kellene áttérnie. Ma az emberiség összes energiaszükségletének csak 0,5%-át fedezi a nap-, szél-, és egyéb megújuló energiaforrásokból. Ez rendkívül csekély mennyiség. Miért nem használjuk a környezetbarátnak mondott megújuló energiaforrásokat? Valóban olyan környezetbarátak? Valóban képesek biztosítani az emberiség növekvő energiaigényeit? Sajnos több megújuló energiaforrásról elmondható hogy nem olyan környezetbarát, mint gondoljuk, vagy tényleg nem vagyunk képesek olyan hatásfokkal kitermelni, ami egymagában fedezné az energiaszükségletet. 1. kép. Hoover gát, Nevada (Forrás: Starline-tours) A vízenergiának a megújuló energiaforrások között kitüntetett szerepe van, mert a biomassza hasznosítás kivételével jelenleg az egyetlen, amely számottevő szerepet játszik a világ energiaigényének kielégítésében (2,3 %). Az elektromos energiatermelés 10
hőskorában, a XX. század első felében sokáig úgy tűnt, a vízenergia lehet az elektromos áramtermelés legfőbb forrása, és a ma fejlett országokban sorra épültek a vízerőművek. A vízenergia részaránya azonban néhány évtizede mégis folyamatosan csökken. Előállítási költsége ugyanis nagyban függ attól, hogy milyen adottságú helyre telepítik az erőműveket. Először természetesen a legjobb helyekre kerültek. Miután azonban ezeket már felhasználták, a rosszabb adottságú területek már egyre kevésbé voltak versenyképesek az olcsó kőolajjal és földgázzal szemben. A fejlett országokban a vízenergia termelés az elmúlt 30 évben nem nőtt jelentősen és várhatóan már nem is fog. Más a helyzet a fejlődő országokban, ahol még nem használták ki az összes kedvező földrajzi helyzetű területet (például jelenleg is építik a világ majdan legnagyobb energiatermelő mamutját Kínában a Jangce folyón, mely 2009-re készül el és 18,2 GW teljesítményű lesz). Ha számításba vesszük az összes olyan helyet a Földön, ahol egyáltalán érdemes vízerőművet építeni (ezt energiagazdálkodási szakemberek megtették), akkor kiderül, hogy ezek összesen mintegy 3 TW teljesítménnyel tudnának üzemelni. Az emberiség jelenleg mintegy 14TW-ot használ, tehát, ha ma minden szóba jöhető helyen lenne vízerőmű, akkor is alig több mint 20%-át tudná fedezni a mai szükségleteknek, amely arány a jövőben tovább romlik. Ma még a 3TW-nak csak mintegy 12%-át használják ki, tehát elvileg mód van a vízenergia felhasználásának bővítésére, de a további építkezéseket akadályozza az a tény is, hogy a vízerőmű építés jelentős környezeti károkat okoz. A gátak, víztározók, csatornák, zsilipek építése a környezet nagymértékű átalakításával jár, ami a helyi ökoszisztéma összeomlását eredményezheti, ahogy azt számos példa mutatja. A vizienergia egyik formája az árapály energia. Az alkalmas tölcsértorkolatba épített ár-apály erőműt úgy tervezik meg, a dagály és az apály vízszint különbségét felhasználva energiát tudjanak előállítani, turbinák segítségével. A potenciális energia a gát két oldala közötti vízszint különbségből fakad, ami kinetikus energiává alakul, ahogy a víz átfolyik a turbinán. A turbina meghajtja a generátort, ami elektromos áramot termel. az erőmű által termelt teljesítmény az ár és az apály közötti vízszint különbség négyzetével egyenlő. A Rajna (Rance) folyó torkolatában, Bretagnenál épült gát 240 MW-ot termel, több mint 25 éve. Egy 18 MW-os turbinát az 1980-as évek közepén helyeztek üzembe Annapolis Royalban, a kanadai Új-Skóciában. Európa össz ár-apály energiájának a felét az UK- 11
ban állítják elő. Az Egyesült Királyság teljes ár-apály potenciálja elméletileg kb. 53 TWh/év ez úgy 17%-a a jelenlegi elektromos áram termelésnek. Az erőmű a vízszint emelkedéséből és csökkenéséből származó energiát hasznosítja, és mint tudjuk az ár és apály 12.4 óránként váltja egymást. 2. kép. Napkollektormező, a naptoronyra fókuszálva (Forrás:http://www.nrel.gov/data/pix ) Az emberiség által kiaknázható napenergia készlet megdöbbentően nagy. Ha azt mondtuk, hogy jelenleg évente 14TW év energiát használunk, akkor a Földre évente érkező kb. 90000 TW évből (!) a mai becslések szerint kiaknázható 1000TW év energia valóban hatalmas mennyiség. Adott tehát egy kimeríthetetlen, hatalmas mennyiségben rendelkezésre álló energiaforrás, amelynek kihasználása ráadásul nem szennyezi a környezetet. A napsugárzás hasznosítása ma a fő energiaforrásokhoz képest mégis elenyésző. Ennek magyarázata a napenergia tulajdonságaiban és a napenergia hasznosítás jelenlegi kis hatásfokában keresendő. A napsugárzás hasznosítható mennyiségének időjárásfüggése rendkívül megnehezíti a napenergia ipari méretű hasznosítását, ugyanis az általa termelt energia mennyisége a Föld jelentős részén nem tervezhető előre. Mégis a benne rejlő óriási potenciálok miatt aktívan fejlesztendő terület az energetika és a technika számára. A megbízhatatlanság mellett a napenergia hasznosítás másik akadálya az, hogy az energiát óriási területről kell összegyűjteni. Egy naperőmű telep körülbelül 50-100-szor akkora helyet foglal el, mint egy ugyanannyi energiát előállító atom, vagy hőerőmű. Ahhoz például, hogy a Magyarország számára ma szükséges energiát napelemekkel elő tudjuk állítani, az ország területéből nagyságrendileg 100 km 2 -t kellene lefedni. Viszont teljesen tiszta, széndioxid- emissziótól mentes az energia előállítása. Nem hiszem, hogy a kiépítéssel nagyobb kárt okoznánk a természetnek, mint a bányászattal vagy bármelyik hagyományos technológiával. A napenergia termelés elterjedésének harmadik gátja az ára. A napelemek és napkollektorok jelenleg még túlságosan drágák ahhoz, hogy 12
versenyezni tudjanak a nem megújuló energiaforrásokkal (az a néhány naperőműtelep a világon, amely a hálózatba áramot termel, mind jelentős állami támogatással épült). Ez a napelemek esetében a jövőben valószínűleg változni fog. A napelemek előállításához ugyanis félvezetőket használnak, és a félvezetőipar mögött olyan hatalmas kutatófejlesztő apparátus áll, hogy azok előállítási költsége jelentősen csökkenhet. Ezzel párhuzamosan hatásfokuk is nőni fog, ami kisebb területeken való megépítésüket teszi lehetővé. A napenergia hasznosítás előtt mindent összevetve szép jövő áll, hála mikroprocesszor-gyártás iránti világméretű érdeklődésnek. Itt jegyzem meg, hogy teljesen zöld megoldást az ipari méretekben történő energiatermelésre nem találunk. Akár az előbb említetteket figyelembe véve, akár azt, hogy ezen eszközök előállítása, legyártása majd elhasználódásuk utáni hulladékként megjelenése is komoly környezetvédelmi kérdéseket vet fel, amire e dolgozat keretébe nem térek ki. 3. kép. Off-shore szélturbinák (Forrás: Gaiasolar Kft) Egyes energetikai szakemberek ma a szélenergiát tartják a legígéretesebb megújuló energiaforrásnak. Bár becsült kiaknázható éves mennyisége lényegesen kisebb a napenergiáénál - mintegy 10TW év - ez bőven elegendő arra, hogy meghatározó szerepet játszhasson az energiatermelésben. Az emberiség már évszázadok óta használja ezt az energiaforrást. A szélenergia hasznosítására szolgáló gépek lényegében ma is ugyanazon az elven működnek, mint a régi szélmalmok, legfeljebb alakjuk változott kissé, na meg az, hogy ma elektromos energia termelésére használják őket és nem őrlésre. Technológiájukból adódóan a szélgépek turbinái nemcsak szélcsendben, hanem kis szélsebesség (9-18 km/óra) mellett sem tudnak üzemelni, túl nagy sebesség (a szélturbina fajtájától függően 50 100 km/óra körül) mellett pedig, a berendezések biztonsága érdekében kell őket leállítani, vagyis csak viszonylag állandó, közepes szélsebességű helyeken használhatók gazdaságosan. A legalkalmasabb ilyen helyek a tengerpartok, de szélerőművek a kontinensek belsejében is találhatók. A szélenergia a fejlett országokban ma az egyik 13
leggyorsabban növekvő megújuló energiaforrás. Európa ebben élen jár a világon: Németország a világ legnagyobb szélenergia termelője, Dánia elektromos energiájának 12%-át szélerőművek termelik. Nagy szélenergia potenciálokkal rendelkeznek a tengerparti országok, mint Franciaország, Anglia, Írország stb. A szélenergia hasznosítás sem mentes azonban a problémáktól. A napenergiához hasonlóan ez is nagyságrendileg 100-szor nagyobb területet igényel egy fosszilis tüzelőanyagot használó erőműnél, mivel a szélturbinák között az optimális hatásfokhoz megfelelő távolságot kell tartani. Sokan támadják a szélerőműveket azért, mert a nagy sík területen álló magas szélturbinák hatalmas részt vesznek el a természettől, ráadásul képtelenek beilleszkedni abba, rontva ezzel a tájképet. Ez persze megint csupán nézőpont kérdése. Sokan azzal érvelnek ellene, hogy a turbinák rendkívül veszélyesek a madarakra. (1991-ben az akkor 1731MW-os amerikai szélerőmű park, becslés szerint egy év alatt mintegy 10 ezer szárnyast kaszabolt le.) Talán érdemes bízni az állatvilág alkalmazkodó, és tanulási képességeiben, hiszen a CO 2 és más súlyosan környezetkárosító gáz kibocsátás olyan változásokat generál a földi rendszerekben, amihez való alkalmazkodás csupán evolúciós léptékben képzelhető el, csökkentése minden ma élő faj, szervezet számára létfontosságú kérdés. Kompromisszumos megoldásként (és a szélviszonyok kedvező volta miatt a tenger felett) már épültek szélerőművek tengerpart közeli vizekben. (Ez persze némi rombolást jelent ott a tengeri élővilág számára de még mindig kevésbé káros, mint egy tankerhajó elsűlyedése, kilyukadása) Másik probléma a zajos működés, amelynek megoldására komoly technikai fejlesztésekkel készülnek. 4. kép. Telepített erdősáv (Forrás: Gaiasolar Kft) Az emberiség legősibb energiaforrása a biomassza. A biomassza gyűjtőfogalom, az élő szervezetekből származó, folyamatosan termelődő, energiatermelésre felhasználható anyagokat jelenti. Máig legelterjedtebb ezek közül a fa, de ide tartoznak a mezőgazdasági termelésből visszamaradt növényi hulladékok, állati termékek, az ipari és kommunális szemét, de azok a növények is, melyek 14
magvaiból üzemanyagot lehet gyártani. A biomasszát többféleképpen használhatják fel. Egyrészt közvetlenül elégethetik, ez a hagyományos biomassza hasznosítás. A biomasszából származó energia túlnyomó részét így termelik, a fa ma is a világ energiaszükségletének tetemes részét fedezi. Másrészt később felhasználható energiaforrást, például belsőégésű motorok üzemanyagát (ebben Brazília jár élen, a világon, ahol cukornádból biztosítják az ország üzemanyag szükségletének 60 %-át!!!!), vagy biogázt állíthatnak elő belőle, ezek a módszerek a modern biomassza hasznosítást képviselik. A biomassza erősen kilóg a megújuló energiaforrások sorából amiatt, hogy használata a fosszilis tüzelőanyagokhoz hasonlóan környezetszennyezéssel jár, azonban ha az elégetett biomassza mennyisége ugyanannyi, mint a megtermelté, akkor a CO 2 gáz kibocsátása a fenntartható fejlődéssel összeegyeztethető, mert a felszabaduló CO 2 mennyisége pontosan annyi, amennyit az adott növény korábban megkötött. A Világ éves biomassza potenciálját a Világ mai éves energiafelhasználásának mintegy kétszeresére becsülik. A biomassza versenyképessége a felhasznált alapanyagtól és az adott lejárás technológiai fejlettségétől függően nagyon változó. Ha arra a kérdésre keressük a választ, lehet-e primer energiaforrás az emberiség számára, nemmel kell felelnünk. Ekkor ugyanis csak az energiaültetvények (vagyis a kifejezetten energiatermelés céljára termesztett növények) jönnek szóba. Ehhez a természettől újabb területeket kell mezőgazdasági termelés alá fogni, ami újabb környezeti problémakör, az öntözés a műtrágyázás miatt, hogy csak e kettőt említsem. 5. kép. Üzemagyag-gyártáshoz termesztett repce (Forrás: Gaiasolar Kft) A legnagyobb olajfelhasználó közlekedést pedig, teljesen lehetetlen a bioüzemanyaggal kielégíteni melynek gyártása egy sor megoldandó környezettani kérdést eredményez ma is. 15
6. kép. Gejzír (Forrás: Sulinet) A felszínről sugárirányban a Föld középpontja felé haladva 1 km-enként átlag 30 C-szal emelkedik a hőmérséklet, de bizonyos területeken ennél nagyobb a hőmérsékletemelkedés. Magyarországon is 50-60 C, és 2 km mélységben már eléri a 100 C-t. Ez a kőzetek hőtartalmából adódó geotermikus energia. Felszínre hozatala történhet mélyfúrással, hő formájában, a leggyakrabban azonban gőz vagy termálvíz közvetítésével. Ahol gőz hozható fel, ott a geotermikus energiával elektromos áram termelhető, de ilyen terület viszonylag kevés van (elsősorban Izlandon, Új-Zélandon és az USA-ban), szemben a szinte mindenütt található 30-100 C-os termálvizes területekkel. Magyarország közismerten gazdag hévizekben: különösen a Duna-Tisza közén és a Nagyalföldön jelentős a hévízkészlet. A geotermikus energia hosszú idejű hasznosíthatóságát demonstrálja a Lardelerro mező Olaszországban, amely 1913 óta működik. A Wairakei mező Új-Zélandon 1958. óta, a Geysers mező Kaliforniában 1960. óta szolgáltat energiát. A geotermikus energia hasznosításának feltétele a forró geotermikus folyadék alacsony gáz és ásványi anyag tartalommal, megfelelő víztartó réteg a folyadék kinyeréséhez és visszajuttatásához. A felszínre érkező folyadék hőmérséklete minimum 150 C legyen, bár az erőművek mindössze 99 C hőmérsékletű folyadékkal dolgoznak. A vízmennyiség függ a folyadék hőmérsékletétől, a környezet jellemzőitől. Egy geotermikus erőműnek kb. 1700-2300 liter 150 C hőmérsékletű folyadékra van szüksége percenként 1 MW energia előállításához - 15 C külső hőmérséklet esetén. A geotermikus energia a napenergiához hasonlóan korlátlan, el nem fogyó, de azzal ellentétben nem szakaszosan érkező, hanem folytonos, viszonylag olcsón kitermelhető és a levegőt nem szennyezi. Termálvíz formájában nem mindig kiapadhatatlan, kivéve, ha a hőkinyerés után visszapótlása is megtörténik. A termálvizek többé-kevésbé magas sótartalmuk miatt elfolyásukkal a talaj és a befogadó vizek minőségét jelentősen ronthatják, viszont nagy előnyük, hogy - számos talajvízzel 16
szemben - ipari vagy más humán tevékenységből származó szennyezéseket nem tartalmaznak. Összegezve elmondható hogy a világ energiaszükségletét csupán egyféle energiahordozóval kielégíteni lehetetlen. A korszerű technológiáknak nemcsak az energiahatékonyságra koncentrálva kell megfelelniük az elvárásoknak, hanem a különböző energiahordozók együttes kihasználásának lehetőségét is biztosítaniuk kell. A megújuló energiaforrások hasznosításának legnagyobb előnye az, hogy az energiaellátás decentralizáltságát biztosítaná. A megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos kutatás-fejlesztési tevékenység az 1973-as olajárrobbanást követően kapott igazán nagy lendületet. Azóta minden megújuló energiaforrás fajlagos költsége jelentősen csökkent. A vízenergia és a biomasszából származó energia kivételével azonban ezek az energiaforrások még mindig nem versenyképesek, és a jövőben is csupán egymást kiegészítő rendszerekben képzelhető el nagyarányú használatuk. 1.3.1. Energiapolitika az EU-ban és Magyarországon Az energiapolitika még nagyobb mértékű zöldítése a legsürgetőbb intézkedés, amely globális méretekben alkalmazva eredményesen befolyásolhatja a fenntarthatósági törekvések sikerességét. Kiotói Jegyzőkönyv (1992) létrejötte megmutatta, hogy lehetséges a nemzetközi összefogás. A Kiotói Jegyzőkönyv azonban csak a kezdet, a folyamatnak ki kell teljesednie. A kezdetben a megegyezést nem vállaló országok vezetőit újra és újra meghívva tárgyalóasztalhoz kell ültetni. A világ országai közül, az Egyesült Államok bocsát ki legnagyobb mennyiségben üvegházhatást okozó gázt, s a tendencia egyre csak erősödik. Az amerikai elnök azonban makacsul elveti, hogy olyan kényszerítő erejű intézkedéseket vezessen be országában a kibocsátás csökkentése érdekében, amilyeneket a kiotói egyezmény irányoz elő. Ausztrália mellett az Egyesült Államok a világ egyetlen olyan fejlett ipari állama, amely 17
elutasítja a kiotói egyezményt. Washington azzal érvel, hogy a jegyzőkönyvben foglaltak alkalmazása túl nagy terhet róna az amerikai gazdaságra. A globális környezeti érdekekben gondolkodva, a lokális cselekedetek fontosságát kell kihangsúlyozni, és példamutató energiapolitikával és eredményekkel küzdeni az emisszió csökkentésért. Európai Unió energiapolitikai célkitűzése, mely 2010-ig a megújuló energiahordozó felhasználás jelenlegi 5,3%-os részarányát 12%-ra, a megújuló energiával termelt villamos energia részarányát, pedig 22,1%-ra kívánja növelni (2001/77/EK direktíva). Ez természetesen a teljes EU-ra vonatkozó átlag, ezen belül az egyes tagországok adottságaiktól, és elkötelezettségüktől függően változó részarányokat vállaltak. Magyarország energiafelhasználása a nemzetközi olajválság előtti évekig gyorsan növekedett, majd ezt követően a növekedés lelassult. A rendszerváltást kísérő gazdasági átalakulás következtében az energiafelhasználás jelentősen 1992-re mintegy 20 százalékkal csökkent. Azóta lényegében stagnál. A szén aránya csökkent, az olaj és olajtermékek viszonylagos felhasználása az áremelkedés ellenére valamelyest növekedett. Legjelentősebben a földgáz felhasználása emelkedett. Ma már a települések többsége, beleértve a vidéki településeket is, földgázzal ellátott. A nukleáris energia részaránya lényegében változatlan maradt. A megújuló energiaforrások felhasználása változatlanul nagyon alacsony. Előrejelzések szerint a szilárd fűtőanyagok szerepe Magyarországon is tovább csökken, a kőolaj és földgáz felhasználás állandó marad, és várhatóan az atomenergia és a megújuló energiák szerepe fog növekedni. A Kormány jelenlegi energiapolitikája a 21/1993.(IV. 9.) sz. országgyűlési határozaton alapszik. Az energiapolitika olyan fontos stratégiai elemeket tartalmaz, mint az energiaellátás diverzifikációjának növelése, a volt Szovjet Köztársaságoktól való importfüggőség csökkentése, az energiahatékonyság növelése, a környezet fokozott védelme, szennyezésének minimalizálása, valamint a külföldi tőke bevonása. 1997-ben Energiatakarékossági hitelprogram indult, amely helyi önkormányzati tulajdonban lévő intézmények energiatakarékossági beruházásaihoz nyújt hitelt. Az energiatakarékossági programok megvalósulása, s ezzel összefüggésben a megújuló energiahordozók arányának növelése lassú ütemben haladt előre. Gyakorlatilag valamennyi fejlett 18
országban megfigyelhető, hogy a jelentős befolyással bíró energia-lobby nem érdekelt az energiatakarékossági és energiahatékonysági programok megvalósulásában. A megújuló energiahordozók felhasználása sok tekintetben kapcsolódik a magyar környezetvédelmi politika célkitűzéseihez. Az Nemzeti Környezetvédelmi Program (NKP) 1997-2003 közötti időszakra meghatározott 97 célkitűzése közül az egyik a megújuló energiafelhasználás akadályainak elhárítása és a támogatási rendszer fokozatos kialakítása. E feladat megvalósításához az NKP javasolta egy rövid/középtávú megújuló energiaforrás fejlesztési program kidolgozását. A megújulók felhasználásának elősegítését szolgáló célkitűzés azonban más, az NKP-vel összehangolt országos stratégiába és politikába is integrálódott. A környezetvédelem és a természeti erőforrások fenntartható kihasználása és kezelése az Országos Területfejlesztési Koncepciónak is egyik fő célkitűzése. A Nemzeti Környezetvédelmi Program intézkedési terve, vagy az 1997-ben indított Nemzeti Környezet-egészségügyi Akcióprogram szintén felvette célkitűzései közé a megújuló energiaforrások felhasználásának bővítését. A megújuló energiafelhasználás arányát 2010-re a jelenlegi 3%-ról 5-6%-ra kell növelni. Ez a célkitűzés a megújulók arányának megduplázását jelenti, amely megegyezik az Európai Unió terveivel. Az EU azonban a megújulók arányát ez idő alatt kb. 6%-ról 12%-ra emeli, amely azt jelenti, hogy 2010-ben az EU és Magyarország közötti különbség a mostani 3%-ról 6%-ra nő. Kiotóban Magyarország elfogadta, hogy az első vizsgálati időszakra (2008-2012) az üvegházhatású gázok kibocsátását 6%-kal csökkenti 1990-hez viszonyítva. Ennek a vállalásnak a teljesítése azonban nem tűnik nehéznek, mivel a tüzelésből származó széndioxid kibocsátás a bázisidőszak és 1995 között csaknem 28%-kal csökkent (80,1 Mt ról 57,8 Mt -ra), ezen kívül a lekötési kapacitás is növekszik. A gazdaság fejlődésével a kibocsátás várhatóan növekedni fog, de előrejelzések szerint az első vizsgálati időszak alatt az előírt szint alatt marad. Ennek ellenére, valamint a jövőbeli emissziónövekedés megakadályozására, Magyarország számos program és politika aktualizálását fontolgatja a CO 2 emisszió csökkentése érdekében. Az országos energiatakarékossági program egyes elemeinek megvalósulása, mint pl. a megújuló energiaforrások felhasználásának támogatása a széndioxid kibocsátás további csökkenését eredményezi. A megújulók fokozott felhasználása főleg a biomasszára 19
vonatkozik, mivel ez a potenciál Magyarországon lényegesen nagyobb, mint a nap- szélvagy geotermikus energia potenciálé. Az egyezmény szerint Magyarország kötelezte magát, hogy az SO 2 emissziót 2000-re 45%-kal, 2005-re 50%-kal és 2010-re 60%-kal csökkenti. A széntüzelésről gázra történő átállás, az atomenergia fokozott felhasználása, párosulva a fűtőolaj kéntartalmának csökkentésével, valamint az 1990-es évek elején a gazdaság általános visszaesése azt eredményezte, hogy 1995-ben a SO 2 emisszió 57%- kal volt kisebb, mint 1980-ban. A jelenlegi a SO 2 emisszió a 2005-ös határérték alatt van, és csak 8%-kal haladja meg a 2010 évi határértéket. Mivel az SO 2 emisszió jelentős része (közel 60%-a) az energia szektorból származik, további csökkenés az alacsonyabb emissziót okozó tüzelőanyagokra (pl. földgázra és megújuló energiahordozókra) való áttéréstől, valamint az energiahatékonyság növelésétől várható. A megújuló energiahordozók versenyképességének megítélését rontja az a körülmény, hogy a környezetkárosítás költségeit nem terhelik a fosszilis energiahordozókra. A megújuló energiahordozók néhány évtizeden belül így is versenyképesek lehetnek, mivel a készletek kimerülése fokozatos megdrágítja az ásványi eredetű energiahordozókat. Amiatt, hogy a kőolaj világpiaci árát szabályozzák, az áremelkedések nem drasztikusan, hanem lépésről-lépére következnek be. A kőolaj világpiaci árának közelmúltban bekövetkezett hordónkénti 17-18 dolláros szintről 24-25 dollárra emelése ennek egyik lépcsőfoka. Az elmúlt években a földgáz volt a legkényelmesebb és egyik legolcsóbb energiaforrás. Jelentős állami támogatással és lakossági hozzájárulással megvalósult gázprogram csaknem valamennyi közületi fogyasztóhoz és háztartásba eljuttatta a földgázt. Árának jelentős növelése az elkövetkező években elkerülhetetlen. 1.3.1 Energiahatékonysági célkitűzések, energiatakarékossági támogatások Magyarországon A globális felmelegedés mérsékléséhez, Magyarország messze a legalacsonyabb vállalást tette, így az EU tagországok között az előkelőnek éppen nem nevezhető abszolút utolsó helyet foglalja el. Sajnos ez a helyezés jól mutatja azt, hogy a hivatalos magyar energiapolitika mennyire tartja fontosnak a megújuló energiák hasznosításának ösztönzését. (stratégia a megújuló energiák alkalmazásáról (1107/1999. számú 20