Ugrás a tartalomhoz

Environmental management

Prof. Tamás János, Prof. Blaskó Lajos (2008)

Debreceni Egyetem a TÁMOP 4.1.2 pályázat keretein belül

2. A fosszilis tüzelőanyagok és az energianövények égetésének környezeti hatásai

2. A fosszilis tüzelőanyagok és az energianövények égetésének környezeti hatásai

Az 1930-as évektől kezdődő időszak első szakaszában az európai gazdaság legfőbb energiaforrása a szén volt, majd az 1960-as évektől fokozatosan nőtt, majd átvette a vezető energiaforrás szerepét a kőolaj és a földgáz. Magyarországon jelenleg a felhasznált energiahordozók között a földgáz aránya a legnagyobb. Az utóbbi évtizedekben a szén szerepének visszaszorulása és a földgáz arányának növekedése volt a jellemző a folyamat Európában és hazánkban is. Az olcsó, fosszilis energián és nyersanyagon alapuló dinamikus növekedési modell számos környezeti problémát okozott. Az égetés során keletkező kibocsátások összetétele energiahordozók szerint jelentős eltéréseket mutat. A fosszilis energiahordozók (a lignit kivételével) égetésével termelt egységnyi energia előállítása lényegesen nagyobb széndioxid kibocsátással jár, mint a biomassza égetésével nyert energia. A nitrogén-oxid (NOx) kibocsátást tekintve viszont a legkisebb emissziót a földgáz használata okoz, a biomassza, szén és olaj égetése nagyságrendileg azonos mennyiségű nitrogén-oxid kibocsátásával jár (2.1. táblázat).

2.1. táblázat: Az erőművek emisszió értékei kg/MJ

Tóthné Szita K. és Siposné Molnár T. Az energiatermelés környezetterhelése összehasonlító életciklus vizsgálat alapján. Forrás

Az energetikai szektor legfontosabb környezeti hatásait a 2.2. táblázat foglalja össze. Körmendi és Solymosi (2010) összeállítása alapján.

2.2. táblázat: Legfontosabb szennyező hatások és szennyezőanyagok

Körmendi K. Solymosi J.: Az energiapolitika megválasztásának környezetbiztonsági szempontjai a villamosenergia-termelés vonatkozásában. Hadmérnök V. 2 – 2010 138 – 155 p. Forrás

A kibocsátások nagyságrendjét tekintve energiahordozók elégetésének legfontosabb környezeti következménye a levegő CO2 koncentrációjának növekedése, ami a legszélesebben elfogadott nézetek szerint a globális felmelegedés egyik fő okozója (2.1. ábra).

2.1. ábra: A légköri szén-dioxid koncentráció (Mauna Loa, Hawaii adatai) és az átlagos globális hőmérséklet (T(2m) változása. A NASA GISS adatai. Forrás

A klímaváltozással kapcsolatos kutatások igazolják, hogy a CO2 szint az Ipari Forradalmat megelőző időszakra jellemző 280 ppm-hez (milliomod részhez) képest szisztematikusan emelkedett 30%-kal. (A 2.1. ábra 1958-tól kezdődően mutatja a CO2 szint változását.) A szénizotópok aránya minden kétséget kizáróan igazolja, hogy a CO2 fosszilis forrásból származik, ugyanis alacsony benne a C-14/C-12 izotóp arány. Forrás). A Meteorológiai Világszervezet adatai szerint 2009-ben az iparosodás kezdete óta legmagasabb szintet ért el az üvegházhatású gázok légköri koncentrációja. Az ENSZ Kormányközi Klímaváltozási Bizottsága (IPCC) 2007-es jelentésében az emberi tevékenységet, mindenekelőtt a fosszilis tüzelőanyagok égetését okolta az üvegházhatású gázok légköri koncentrációjának növekedéséért (2.2. ábra).

2.2. ábra: ÜHG Kibocsátás trendje1970-2004 között források szerinti megoszlásban. Forrás: Forrás

A legfontosabb üvegházhatású gáz a széndioxid (CO2), amelynek egy molekulája által kíváltott hatása ugyan kisebb, mint a metáné és a dinitrogén-oxidé, de koncentrációja nagyobb és légköri tartózkodási ideje is hosszabb azokénál (2.3. táblázat).

2.3. táblázat: Az üvegházhatású gázok főbb jellemzői

A táblázatban használt koncentrációk: ppm parts per milion (106) ppb parts per bilion (109) ppt part per trillion (1012) v - volume: térfogat

Forrás

Globális felmelegedési potenciál (GWP)

A különböző gázok eltérő mértékben járulnak hozzá az üvegházhatáshoz, mivel a sugárzást különböző hullámhosszúságon nyelik el. A globális felmelegedési potenciált (GWP azaz Global Warming Potential) különböző gázok üvegházhatásának számszerűsítésére használják. Azonos tömegű széndioxidhoz képest határozzák meg az értékét, meghatározott időintervallumra vonatkoztatva (ez általában 100 év). A szén-dioxid GWP-je definíció szerint 1. A metán 23-szor, a nitrogénoxid 296-szor hatékonyabban nyeli el a sugárzást, mint a széndioxid, és a kén-hexafluorid felmelegedési potenciálja 22.200-szor nagyobb, mint a széndioxidé. Forrás

2.4. táblázat: Globális felmelegedési potenciál (GWP) értékek az élettartam és időhorizont figyelembevételével

Forrás

A klímaváltozás természetes és antropogén okainak és ezen belül az ÜHG-k hatásainak részletesebb elemzése az Éghajlatváltozási Kormányközi Testület Éghajlatváltozás 2007. negyedik értékelő című jelentésében és a Nemzeti Éghajlatváltozási Stratégia (2008-2025) című anyagban található az alábbi címeken:

Forrás

Forrás

Forrás

A széndioxid, amellett, hogy üvegházhatású gáz, egyik okozója a környezet savasodási folyamatának is.

A metán a széndioxidnál jóval károsabb üvegházhatású gáz, de relatív hatása mégis kisebb, mert légköri koncentrációja lényegesen kisebb. Az energetikai folyamatokban, mint energiaforrás vesz részt, ugyanis a metán a földgáz és biogáz fő alkotórésze. Elégetése széndioxid és víz képződésével járó folyamat. A metántartalmú földgáz egyéb energiahordozók kísérő anyagaként is előfordul (pl. a szénbányákban előforduló sújtólég fő összetevője). Ezek kitermelése során a metán légkörbe kerülése is előfordul.

Az energiatermelés és főleg az energiahasználat nagymértékben befolyásolja a légkör nitrogén-oxid koncentrációját. A légkör nitrogén-oxid tartalmát az energiahordozók elégetése egyrészt közvetlenül az energiahordozó nitrogén tartalmú vegyületeinek oxidációjával, másrészt közvetetten a levegő nitrogéntartalmának nagy hőmérsékleten bekövetkező oxidációja révén növeli. A N-N hármas kötés hő hatására szakad fel. Ez csak extrém körülmények között megy végbe. (Pl: az üzemanyag elégése az autó motorjában, az égő biomassza legmelegebb lángjaiban, a villámlás kisülési csatornában)

Az energia felhasználásban eredő legfontosabb nitrogén-oxid keletkezéssel járó folyamat a gépkocsik üzemanyagának, a hőerőművek, vagy éppen a háztartási tüzelőeszközök fosszilis vagy megújuló energiaforrásainak elégetése. Mérések szerint a fejlett ipari országok nitrogén-oxid kibocsátásának mintegy 40%-át a közlekedés, 50%-át az ipari és háztartási tüzelés, a maradék 10%-át a vegyipar és a természetes források adják. A nitrogén-oxidok fontos szerepet játszanak a globális felmelegedési potenciál és az ún. fotokémiai szmog kialakulásában, valamint szerepük van a savas esők kialakulásában és a vizek eutrofizációjában is.

A kén legfontosabb környezeti hatása a savasodásban van. Az antropogén kén fő forrásai az erőművek és a háztartási fűtés. A szénféleségek kéntartalma 1-5%, a kőolajé 0,3-0,5% között változik (Forrás).

Az energiahordozók nitrogén-oxid és foszfor tartalma talajra ülepedve tápanyagként hasznosulhat, vízbe jutva viszont eutrofizációt okozhatnak. Az eutrofizáció elsősorban az állóvizeket veszélyeztető folyamat.

A fosszilis energiahordozókban esetenként az elemek radioaktív izotópjait tartalmazzák, amelyek főleg a bányászati meddőhányókon és energiahordozók égetése után maradó salakban felhalmozódva okozhatnak környezetszennyezést.

Az ózonréteg károsodásáért elsősorban felelősek a halogénezett szénhidrogének (CFC-k). A természetben nem fordulnak elő, az ember fejlesztette ki. Főleg hűtő, légkondicionáló közegként és az elektronikai iparban használják őket. Az 1987-es "Montreali jegyzőkönyv” szerint fokozatosan kivonják ezeket a gázokat a forgalomból (Forrás)

A környezeti hatások értékelése

Az ÜHG-kibocsátás tekintetében a bioenergia és a fosszilis energia hatásainak összehasonlításához az úgynevezett életciklus-értékelés (Life Cycle Assessment, LCA), adja a legmegfelelőbb módszert. Az életciklus-elemzés, amely egy termék, folyamat vagy szolgáltatás teljes életútja során vizsgálja annak környezetre gyakorolt potenciális hatásait. Egy termék életútja felöleli az előállításához szükséges nyersanyag bányászatát, előkészítését,

a gyártást, a használatot, és a használat után keletkező hulladék hasznosítását vagy kezelését is. Az ISO 14040-es szabványcsalád foglalkozik az életciklus-elemzés részleteivel. A 14040-es szabvány az elemzés általános alapelveket rögzíti. A 14041-es szabvány a várható környezeti hatások felmérésének részleteit írja le, ezért ezt életciklus leltár - elemzésének nevezzük.

A bioenergia-rendszerek esetében az ÜHG-mérleget az alapanyag típusa, a földhasználat megváltozása miatt végbement kötöttszénkészlet-változások, a szállítás, az alapanyag feldolgozása, valamint a hő és a villamos energia előállítására szolgáló átalakítási technológiák együttese adja.

A magyar energiaszektoron belül a villamos energiatermelés hatásainak elemzésére a közelmúltban két részletes életciklus elemzés készült. Ezek egyike a Green Capital Zrt.: A magyar energia szektor villamosenergia-termelésének életciklus-és carbon footprint elemzése.” Budapest. 2009.

Forrás

Az elemzés a villamos energia előállításnak környezeti hatásait elemzi egy mérőszámba összevont jellemző (ecoindikátor =EI) mutatók alapján és értékeli hatáskategóriák szerinti felosztásában (CML-módszer) is.

2.3. ábra: Villamos energia előállítás összevont környezeti hatásai a felhasznált energiaforrások szerint

A 2.3. ábra összegezve mutatja be különböző energiahordozók felhasználásával nyert villamos energia környezeti hatásait. Az ecoindicator értékszám nagyobb értéke nagyobb összesített környezeti hatást jelent. Az értékelés szerint legkisebb környezeti hatása az atomenergiának van. A megújuló erőforrások között környezeti hatás szempontjából legkedvezőbb a napenergia, ezt követi a fatüzelés, majd a biogáz. A bio-etanol (BioEtOH) környezeti hatás szempontjából kedvezőtlenebb, mint a lignit vagy barnaszén égetésével előállított villamos energia. Hatáskategóriák szerint értékelve a különböző energiahordozókat, globális felmelegedésre gyakorolt potenciális hatása alapján legkedvezőbb az atomenergia felhasználása, a biomassza és a biogáz égetése. E szempontból a bioetanol hatása kedvezőbb, mint a fosszilis energiahordozóké (2.4. ábra).

2.4. ábra: Különböző energiahordozókból előállított elektromos áram hatása a globális felmelegedési potenciálra

2.5. ábra: Savasodási potenciál értékek összehasonlítása

A környezet savasodására a földgáz égetése van legnagyobb hatással, de a vízi energia és a bio-etanol és biogáz is kedvezőtlennek bizonyultak e szempontból. A savasodási potenciált legkevésbé az atomenergia, napenergia, barnaszén, lignit, biomassza égetés növeli.

2.6. ábra: A környezet tápanyag-feldúsulásában játszott szerepek súlyának megoszlása

Az eutrofizáció olyan folyamat, melynek során a vízben lévő foszfor és nitrogén túl nagy mennyisége a víz algásodásához vezet. Eutrofizálódás folyamán az állóvizekben a tápanyag feldúsul, ezért elszaporodnak az elsődleges termelő szervezetek: fitoplankton, hínár és egyéb mocsári növények. Az eutrofizáció természetes és mesterséges tavakban egyaránt előfordul. Vízfolyások esetén az eutrofizáció jelensége, a hígulás, valamint az elkeveredés jelensége miatt nem olyan jelentős. Forrás

A vizek tápanyag felhasználásában a legnagyobb potenciális szerepe a bio-etanol alapú villamos energia előállításnak van, a biomassza égetés közepes hatású, legkedvezőbb a földgáz, a hulladékégetés, a napenergia és az atomenergia felhasználása (2.6. ábra).

Elemezték a biogáz összetevők potenciális környezeti hatásait. Az összevont indikátor alapján a vágóhídi hulladék biogázzá alakítása befolyásolja legnagyobb mértékben a környezetet. A trágyák anaerob erjesztésének hatása kisebb (2.7. ábra).

2.7. ábra: Az EI ‘99 megoszlása az alrendszerek között (biogáz)

Globális felmelegedési potenciál (fatüzelés)

2.8. ábra: Az EI ‘99 értékét jelentősen befolyásoló emissziók /biogáz/

A biogáz előállítása és égetése során a legnagyobb mértékű kibocsátást a nitrogén-oxidok és a kéndioxid adja (2.8. ábra).

A bio-etanol alapú elektromos áram környezeti hatásait a kukoricakeményítőből nyert alkohol elégetésére vonatkoztatva vizsgálták meg. Külön-külön elemezték a kukoricatermesztés, az alkohol fermentáció és az alkohol elégetésének környezeti hatásait. Az elemzés fontos eredménye, hogy a környezetterhelés döntő része az összevont ecoindikátor (2.9. ábra), a globális felmelegedési potenciál (2.10. ábra), a savasodási potenciál (2.11. ábra) és az eutrofizációs potenciál (2.12. ábra) alapján is a kukoricatermesztésből ered. Az alkohol fermentáció és az alkohol alapú elektromos áram előállításának környezetterhelő hatása lényegesen kisebb.

2.9. ábra: A bioetanolból előállított elektromos áram környezetterhelő hatásának (EI ’99) megoszlása az alrendszerek között

2.10. ábra: Globális felmelegedési potenciál (bioetanol)

2.11. ábra: A savasodási potenciál megoszlása az alrendszerek között

2.12. ábra: Az eutrofizációs potenciál megoszlása az alrendszerek között

2.13. ábra: Az EI ‘99 értékét jelentősen befolyásoló emissziók /bio-etanol/

A bio-etanol alapú elektromos áram termelés legnagyobb hatású emissziói a nitrogén-oxid és az ammónia, ezt követi a kéndioxid és széndioxid kibocsátás (2.13. ábra).

A részletes hatásvizsgálat alapján lehetőségünk van a környezetterhelés mérséklésére. A kukoricakeményítő alapú alkohol felhasználásával nyert elektromos áram példánál maradva, elsősorban a termesztési folyamatban, talajművelésben és a trágyázásban, ezen belül is nitrogén tápanyag felhasználásban kell keresnünk a környezetterhelés mérséklésének lehetőségeit.

A Power Cosult Szolgáltató Kft "A villamos energiatermelés externális költségei, különös tekintettel a megújuló energiaforrásokra” címmel készített elemző tanulmányt. Forrás.

A vizsgálati anyag kibocsátás elemzések mellett figyelembe veszi a különböző technológiák területigényét és vízfogyasztását.

Az elemzés rámutat, hogy a megújuló erőforrásokon alapuló energiatermelés lényegesen nagyobb területet vesz igénybe, mint a fosszilis energiahordozók használata. A megújuló erőforrások között a legnagyobb területigénye az energiaültetvénynek van.

2.5. táblázat: Különböző energiahordozókból termelt villamos energia fajlagos területigénye

században előre láthatólag a víznek stratégiai szerepe lesz. A vízzel, mint helyenként ritka ásványkinccsel kell számolni. Ezért sem közömbös, hogy az egyes technológiák mennyi vizet igényelnek. A bioetanol és a biodízel vízfelhasználás szempontjából is hátrányban van a fosszilis energiahordozókon alapuló energiatermeléssel szemben (2.6. táblázat).

2.6. táblázat: 1000 kWh villamos energia előállításához szükséges vízmennyiség

A bio-üzemanyagok hatása a szén-dioxid mérlegre

A bio-üzemanyagok teljes termelésének, feldolgozásának és felhasználásának életciklusra vonatkozó széndioxid mérleg kiszámításának módját jogszabályok rögzítik.Forrás

A jegyzet összeállítása idején hatályos jogszabály a nemzeti fejlesztési miniszter 36/2010. (XII. 31.) NFM rendelete, amely a bio-üzemanyag fenntarthatósági követelményeknek való megfelelésével kapcsolatos üvegházhatású gázkibocsátás elkerülés kiszámításának szabályait tartalmazza.

A bio-üzemanyag teljes életciklusra számított üvegházhatású gáz kibocsátás (a továbbiakban: ÜHG kibocsátás) értékelés az ÜHG kibocsátás elkerülést az alábbiak szerint kell meghatározni:

Összegezni kell az életciklus során keletkező kibocsátásokat:

E = eec+ el + ep+ etd+ eu- esca- eccs- eccr- eee

Ahol:

E = az üzemanyag használata során keletkező összes kibocsátás;

eec = a nyersanyagok kinyerése vagy termelése során keletkező kibocsátások;

el = a földhasználat megváltozása által okozott szénkészlet-változásokból eredő éves kibocsátások;

ep = a feldolgozás során keletkező kibocsátások;

etd = a szállítás és az elosztás során keletkező kibocsátások;

eu = a használt üzemanyagból eredő kibocsátások;

esca = a talajban lévő szén-dioxid-felhalmozódásból származó kibocsátás-megtakarítás jobb mezőgazdasági gazdálkodás révén;

eccs = a szén megkötéséből és geológiai tárolásából eredő kibocsátás-megtakarítások;

eccr = a szén megkötéséből és helyettesítéséből eredő kibocsátás-megtakarítások;

eee = a kogenerációból származó villamosenergia-többletből eredő kibocsátásmegtakarítások.

A gépek és berendezések gyártása során keletkező kibocsátásokat nem kell figyelembe venni. Az összegezésben a CO2, N2O és CH4 üvegházhatású gázokat veszik figyelembe. A CO2-egyenérték kiszámításához e gázokat a 100 évre becsült globális felmelegedési potenciál (GWP) alapján CO2 egyenértékre számítják át (CO2=1; N2O=296; CH4=230-as átszámítási szorzó), a korábban ismertetett globális felmelegedési potenciál (GWP) alapján.

A széndioxid egyenértékre számított, egységnyi energia alapanyagainak termelésére (2.7.táblázat), feldolgozására (2.8. táblázat) és az energianyerés folyamatára, valamint összesítve a teljes termelési, feldolgozási és energianyerési folyamatra (2.9 táblázat) jellemző és alapértelmezett gázkibocsátási értékeket a rendelet táblázatban adja meg. Az alapértelmezett érték a termelők és felhasználók mérési és adminisztrációs terheinek csökkentésére bevezetett, külön mérés nélkül elszámolható értéket jelent.

2.7. táblázat: A bioüzemanyagok részekre bontott alapértelemezett ÜHG kibocsátási értékei (termelésre vonatkozó)

2.8. táblázat: A bioüzemanyagok részekre bontott alapértelmezett ÜHG kibocsátási értékei (feldolgozásra vonatkozó)

2.9. táblázat: A bioüzemanyagok részekre bontott alapértelmezett ÜHG kibocsátási értékei (termelésre, feldolgozásra, szállításra és elosztásra vonatkozó)

*Szintetikus dízel üzemanyag, amelyet nem élelmiszer alapanyagul szolgáló növényekből, hanem például erdőgazdasági melléktermékekből és hulladékfából állítanak elő, és a hagyományos gázolajnál 90 százalékkal kevesebb szén-dioxidot bocsát ki azonos teljesítménynél

Az alapértelmezett üvegházhatású gázkibocsátások értékeinek ismerete hozzájárulhat a környezettudatos bioenergia termelés megválasztásához. A jelenleg alkalmazott technológiák közül legkisebb mértékű üvegházhatású gáz kibocsátással jár a hulladék növényi vagy állati

eredetű olajokból előállított biodízel, a hulladékfa-dimetil-éter (DME), ezt követik a növényi biodízelek, az etanol ezeknél nagyobb üvegházhatású gáz kibocsátásával jár.

A kogenerációs technológiák alkalmazása javíthatja az elektromos áram előállítás ÜHG-kibocsátási értékét. (Kogeneráció=kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés egy jól bevált technológia az energiatermelés területén. A kogeneráció számos üzemeltetési, környezetvédelmi és pénzügyi előnnyel rendelkezik, mert úgy jön létre hőenergia, hogy közben villamos energia is termelődik. (Forrás)

A légszennyezéssel kapcsolatos trendek Magyarországon

A kén-dioxid (SO2) kibocsátás 1998 és 2005 között 78%-kal csökkent, elérve a 129,3 kt/év értéket; ez jóval alacsonyabb, mint a Göteborgi Jegyzőkönyv és az EU NEC Irányelv által 2010-re vonatkozóan előirányzott évi 500 kilótonnás megengedett kibocsátási plafon.

A kén-kibocsátások csökkentésében az energia-ágazat játszotta a legnagyobb szerepet. A magyar gazdaság SO2-intenzitása jelenleg megfelel az OECD európai tagországaira jellemző átlagnak. 2005-ben az összes kénkibocsátás megközelítőleg 75%-a ipari és nem-ipari égetésből származott. Az ipari eredetű emisszió 41%-kal csökkent, míg a nem iparból származó kibocsátások mennyisége növekedett, a háztartások fűtéssel kapcsolatos emisszióinak emelkedésével párhuzamosan (+15,6%) Az NOx kibocsátás összességében nem változott, az erőművek kibocsátása csökkent ugyan, de a mozgó források (főleg járművek) emissziója majdnem ugyanennyivel nőtt (2.10 táblázat). Az illékony szerves vegyületek (NMVOC) kibocsátása kismértékben nőtt. A növekedésért az erőművek, a nem ipari tüzelés és az ipari technológiai folyamatok rovására írható. A mozgó források emissziójának kivételével a porszennyezés (PM) közel harmadával csökkent. Míg CO kibocsátás jelentősen csökkent főleg az ipari technológiák javulásának köszönhetően, a CO2 emisszió kismértékben növekedett, ugyanis az erőművek és az ipari tüzelés kibocsátás-csökkenésének kedvező hatását lerontotta a nem ipari tüzelésből és a mozgó forrásokból származó megnövekedett CO2 mennyiség.

2.10. táblázat: Légköri kibocsátások változása szennyező források szerinti bontásban

*NMVOC (non-methane volatile organic compounds) illékony szerves vegyületek a metán kivételével

**PM, (Particulate matter), száraz por és nedves részecske szennyezés, rendkívül apró szilárd és folyadék cseppek összetett keveréke. A részecske szennyezésnek számos összetevője lehet, beleértve a savakat (például a nitrátok és szulfátok), szerves anyagokat, fémeket, és a talajrészecskéket, amelyek 10 mikrométernél kisebb átmérőjűek. Ezek a részecskék közös jellemzője, hogy általában a légutakon keresztül a tüdőbe juthatnak.

Forrás

Források: Környezetstatisztikai Évkönyv, Központi Statisztikai Hivatal; UNFCCC

OECD (2008): Környezetpolitikai Teljesítményértékelések MAGYARORSZÁG

Forrás