Ugrás a tartalomhoz

Energetika I.

Bihari Péter (2012)

EDUTUS Főiskola

Energiahordozók és -források

Energiahordozók és -források

Célkitűzések és tartalmi összefoglaló:

A lecke célja, hogy

  • bemutassa energiaigények kielégítéséhez rendelkezésre álló kimerülő energiahordozókat, keletkezési módjukat és kitermelési, ill. átalakítási technológiájukat;

  • ismertesse a megújuló energiaforrásokat és hasznosítási lehetőségeiket;

  • további, az energiaátalakítással kapcsolatos fogalmakat definiáljon.

A lecke három tématerület köré csoportosítva

  • részletesen bemutatja a fosszilis (szén, kőolaj és földgáz) energiahordozók keletkezési folyamatait, kitermelési módjait, valamint hasznosítási lehetőségeit;

  • bemutatja a ma használatos nukleáris (fissziós) energiahordozókat és az ehhez kapcsolódó technológiákat;

  • ismerteti a ténylegesen megújuló energiaforrások jellemzőit és energetikai hasznosítási lehetőségeit.

Bevezetés és alapfogalmak

A primer vagy elsődleges energiahordozók a természetben található, eredeti állapotban lévő energiahordozók (ásványi szén, kőolaj, földgáz, nukleáris energiahordozók) az energetikai folyamatok kiinduló közegei. A primer energiahordozók mintegy 10%-át eredeti állapotukban használják fel a fogyasztók. A fennmaradó 90% egy részét kezelésnek vetik alá. A szenet aprítják, osztályozzák; a szénhidrogéneket tisztítják, különböző halmazállapotú komponensekre bontják. A kezelés ugyan módosítja, de alapvetően nem változtatja meg az energiahordozó sajátosságait.

Primer vagy elsődleges energiaforrások: a természetben található és munkavégzésre használható erők (napsugárzás, szél, áramló víz, tengeri energia, biomassza, geotermális hő).

A szekunder vagy átalakított energiahordozók a primer energiahordozókból származó, de azoktól lényegesen eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező új energiahordozók. Egyértelműen ide tartozik a kazánban fejlesztett gőz, meleg víz, a villamos energia, a koksz, a cseppfolyósított földgáz, a különböző olajtermékek, a nukleáris fűtőelemek.

Fosszilistüzelőanyagok a földkéregben található szén-, olaj- és földgázkincs; tehát az éghető tüzelőanyagok.

Fissziósüzemanyagok a nehéz atommagok hasításán alapuló, atomreaktorokban felhasznált anyagok (pl. urán).

Fúziósüzemanyagok a könnyű atommagok egyesítésével járó energiaátalakítás energiahordozói (pl. deutérium, trícium).

Végső energiahordozóknak nevezzük azokat az elsődleges vagy átalakított energiahordozókat, amik közvetlenül a fogyasztóhoz kerülnek, ahol hasznos energiává alakítják őket.

Hasznos energiahordozókkal elégítjük ki a fogyasztók igényeit. Ide tartozik a hő, a mechanikai munka, a fény és egyéb sugárzások energiája, az információ és a kémiai energia.

Az energiahordozó útját a kitermeléstől a végső felhasználásig az 1.4.1.1.ábra mutatja, míg mennyiségi folyamatait Magyarország vonatkozásában a 2009. évre az 1.4.1.2.ábra. Az energetikai vertikum kapcsán értelmezzük az energiaellátás és az energiafelhasználás hatásfokát (lásd 1.4.1.3.ábra), amely szemléletes képet nyújt a nemzetgazdaság általános fejlettségéről.

1.4.1.1. ábra

1.4.1.2. ábra Forrás: Magyar Energia Hivatal

1.4.1.3. ábra

A ma ismert elsődleges energiahordozók és -források a 1.4.1.4.táblázat szerint csoportosíthatók. Ez a csoportosítás elvi szempontból ugyan kifogásolható, hiszen a kimerülő és megújuló energiahordozók és -források megkülönböztetése csupán az önkényesen választott (mértékadónak tekintett) időtartamtól függ. Tulajdonképpen az energiahordozók és -források minden fajtája újraképződik és folytonosan megújul, csupán a kiaknázás ütemén múlik, hogy egy energiahordozó, -forrás abszolút mennyisége a Földön a kimerülés felé tart-e. Ugyanakkor a megújuló energiaforrások sem garantáltak.

Az 1.4.1.4.táblázat beosztása logikailag sem töretlen. A napenergia sem egy forrás a sok közül, hanem a Földön előforduló energiahordozók és -források szinte kizárólagos forrása. Az idők folyamán szénné és kőolajjá alakult szerves maradványok is a Napból nyerték energiájukat. Energetikailag legnagyobb jelentősége a Föld felszínére jutó napsugárzásnak van. Ezen elektromágneses hullámok forrása a Napban lejátszódó fúziós reakció, aminek teljesítményét 3×108EW-ra becsülik. Ebből az energiaáramból a Földre 0,173EW jut, aminek szinte a teljes mennyisége különféle folyamatok lejátszódása után az atmoszférába kerül, majd onnan kisugárzódik a világűrbe.

A Földre érkező napsugárzásnak mintegy 30%-a már a légkörből visszaverődik és szóródva a világűrbe távozik. További 17,4%-ot a légkör alkotóelemei nyelnek el (ózon, felhők, vízgőz és lebegő szilárd részecskék). A légkör főleg az ultraibolya és infravörös spektrumba eső hullámokat nyeli el, így a földfelszínre jutó 51,6% energiahányad a látható fény tartományában a legintenzívebb. A felszín a beérkező teljes sugárzás 4,2%-át közvetlenül visszaveri. A felszínt tehát a beérkező sugárzás 47,4%-a melegíti, amiből a felületek arányában 33% jut a tengerekre és 14,4% a szárazföldekre. A felmelegedett felszín a hő egy részét infravörös hullámok formájában kisugározza, ennek aránya a teljes sugárzás 18%-a. A beeső napsugárzás 46,8%-a elnyelődik és hővé alakul át az atmoszférában, a tengerek vizében és a földkéregben. Ez az energiahányad szabja meg a bioszféra hőmérsékleti viszonyait és az élet feltételeit. Ez az energiamennyiség különböző folyamatok után az atmoszférán keresztül a világűrbe távozik.

1.4.1.4. ábra

A kimerülő primer (elsődleges) energiahordozók köre a társadalmi fejlődés során fokozatosan bővült, ahogy a technika előrehaladása újabb források kiaknázása előtt nyitotta meg az utat. Ez a folyamat nemcsak az energiabázis bővülése miatt volt jelentős, hanem nagymértékben visszahatott a technika és a termelési technológia fejlődésére is. Az energetikai berendezések mindig a legdinamikusabban változó munkaeszközök közé tartoztak, a nagy technikai előrelépések többnyire összekapcsolódtak az energetika új vívmányaival. A felhasznált primer energiahordozók aránya, az energiahordozó-szerkezet a fejlődés során állandóan változott. Hangsúlyozni kell, hogy az újabb energiahordozók mindig előnyösebb gazdasági és műszaki jellemzőik miatt kerültek előtérbe, és sohasem azért, mert a korábban hasznosított energiaforrások kimerültek. Az energiaszerkezetnek ez az átalakulása ma is folyik és a jövőben is folytatódni fog, bár ma már egyre inkább előtérbe kerül az egyes energiahordozók kimerülése miatti szerkezetátalakítás is.

Az emberiség hosszú ideig csupán saját fizikai munkavégző képességére volt utalva. Az emberi izomerő meglehetősen kis teljesítményt reprezentál, átlagértéke 50−100W, és csak rövid ideig tudja ennek többszörösét kifejteni. A fizikai munkavégzés egy napi lehetősége (1,5−3,0MJ) 100g szén hőegyenértékét is alig éri el. Bár sok munkafolyamatnál ma sem nélkülözhető az ember fizikai munkája, részesedése a világ energiamérlegében elhanyagolhatóan kis értékre csökkent. Magyarország munkaképes lakosságának összesített elméleti munkavégző képessége 3PJ/év körüli érték, ami az ország energiamérlegének negyed százalékát sem teszi ki, a ténylegesen végzett fizikai munka pedig ennél egy-két nagyságrenddel kisebb. Atechnikailag fejlett társadalmakban teljesen elvesztette jelentőségét az állati izomerő is. Asok gondozást és táplálást igénylő igásállatok néhány 100W-os teljesítménye valaha nagy segítséget jelentett a mezőgazdaságban és a közlekedésben, de ma már csak a fejlődésben elmaradt országokban játszanak szerepet. Az emberi és állati izomerő a XIX.század elején még a világ energiaigényének számottevő részét fedezte, a XX.század elejére aránya már néhány százalékra csökkent, és napjainkban már egy ezreléket sem ér el. Hasonló fejlődés jellemzi a magyar energiamérleget is.

Az energetikai potenciál első jelentős bővülését a tüzelőanyagok megjelenése jelentette. Akezdet a növényi, állati és háztartási hulladékok, valamint a tűzifa elégetése révén nyert hő hasznosítása volt. Ezek a tüzelőanyagok ma már csupán a gazdasági fejlődésben elmaradott országokban játszanak számottevő energetikai szerepet, néhol a felhasznált tüzelőanyagoknak a felét is meghaladja a mezőgazdasági hulladék (szárított trágya, növényi maradékok). A tűzifa hosszú ideig a legfontosabb volt a tüzelőanyagok között, de később már nem tudott eleget tenni az ipari fejlődés igényeinek, napjainkban ismét reneszánszát éli, elsősorban a lakosság fűtési energiaigényeinek kielégítésében, de szerepet kap az erőművek villamosenergia-termelésben is.

A világ tüzelőanyag-felhasználásában a tűzifa ma csupán 2−4%-ot tesz ki, a hulladékok részesedése pedig még ennél is kisebb. Ezért ezek most már kívül is esnek az energetikai statisztikai megfigyelés körén, és minthogy nem tárgyai nemzetközi árucsere-forgalomnak, „nem kereskedelmi tüzelőanyagok”-nak minősülnek. A hulladékok hasznosítása a fejlett társadalmakban ismét előtérbe kerül, azonban az így nyerhető energia szinte melléktermék, a fő feladat a szemét eltüntetése.

Napjaink legfőbb elsődleges energiahordozói –a szénhidrogének, az olaj és a földgáz– együttesen a világ energiaigényeinek mintegy kétharmadát biztosítják. A tudomány egyre újabb energiaforrásokat tesz hozzáférhetővé az emberiség számára. Az energiaellátás fokozódó gondjai és terhei világszerte az érdeklődés előterébe állították az új energiaforrások kutatását. Jelentős összegeket fordítanak a kutató-fejlesztő tevékenység szervezettebbé és célratörőbbé tételére. Nagy reményeket fűznek a napsugárzás és a Föld kérgében levő hő nagyarányú hasznosításához, aminek az elvi lehetőségét kis léptékű, speciális berendezések már bizonyítják. Szinte észre sem vettük, hogy megkezdtük a gravitáció kiaknázását is, hiszen az első árapály-erőművek már néhány éve üzemben vannak. Még nem sikerült létrehozni stabil, szabályozott fúziót, de a nagyarányú kutató tevékenység biztosan pozitív eredményre fog vezetni, ami újabb, hatalmas energiaforrások kiaknázása előtt nyitja meg az utat.

Valószínű, hogy a tudomány még sok meglepetést tartogat az energetika számára is. Ki merne ma jóslásokba bocsátkozni, hogy további években milyen új utakat fog feltárni a fizika? Azt viszont már a jelenlegi ismereteink alapján is kijelenthetjük, hogy a társadalmi fejlődés energetikai háttere hosszú időre biztosítható.

Fosszilis energiahordozók I.: Szén

A Földön a legbőségesebben rendelkezésre álló tüzelőanyag a szén. Ez teszi ki a gazdaságosan kitermelhető, ismert ásványi tüzelőanyagok mintegy 85%-át. A földkéregben felhalmozódott széntelepek hosszú földtani korszakok alatt alakultak ki. A szénképződés (1.4.2.1.ábra) első fázisa a tőzegesedés, amikor a víz alá került elhalt növények nagy molekulái mikroorganizmusok hatására, hosszú idő alatt lejátszódó biokémiai folyamatok közben kisebb molekulákra bomlanak le. A nedvesség és kevés oxigén jelenlétében lejátszódó folyamat során a bomlástermékek egy része gáz alakban vagy vizes oldatban távozik, a szilárd maradék a tőzeg. Minél fiatalabb a tőzeg, annál inkább felismerhető a növényi szerkezet.

Frissen fejtve nedvességtartalma igen nagy, a 85−90%-ot is elérheti, ezért nyersen nem is tüzelhető el, mert az égéskor felszabaduló hő főleg a víztartalmat párologtatná el. Levegőn szárítva a nedvességtartalom 20−25%-ra csökkenthető, ekkor fűtőértéke 15,5−17,5MJ/kg a hamutartalomtól függően, ami 6 és 30% között mozog. Kis sűrűsége (0,1−0,8kg/dm3) és nagy nedvességtartalma miatt nem szállítható, rossz tüzelőanyag, ezért csak helyi hasznosítása fordul elő ott –főleg erőművekben–, ahol nagy mennyiségben és kedvező körülmények között található. A tüzeléstechnikai problémák korlátozzák az építhető kazánok méreteit, a megvalósítható blokknagyság felső határa 300−600MW. A világ becsült tőzegvagyonának hőegyenértéke

amiből évente 80Mt-át (1EJ) termelnek ki.

A szénképződés második fázisa a szénülés, amin a hegyképző erők hatására a földkéreg belsejébe került tőzeg megy keresztül. A széntelepek elsősorban olyan medencékben alakultak ki, ahova a környezetből kevés egyéb hordalék került. E medencék az idők során lassan lesüllyedtek, föléjük más rétegek rakódtak le, majd újabb tőzegképződés után a folyamat megismétlődött, így egymás fölött több szénréteg alakult ki.

A széntelepek egy része az múltbéli hegységek előtti medencékben található, többnyire kisszámú, de vastag rétegben, a rétegvastagság 100m-t is elérhet. Az akkori tengerek partján kialakuló széntelepek viszont rendszerint sok, egymás felett elhelyezkedő vékony rétegből állnak, szélsőséges esetben több száz réteg is előfordul (pl. a Saar-vidéken 300), a rétegek vastagsága néhány méter, köztük üledékes kőzet helyezkedik el, a szénmedence mélységbeli kiterjedése több kilométert is elérhet. A Föld mélyében uralkodó nagyobb nyomás és magasabb hőmérséklet hatására a kisebb molekulasúlyú vegyületek polimerizálódnak és kondenzálódnak, így alakul ki a kőszén nagy molekulasúlyú, bonyolult vegyületekből álló kolloidszerkezete.

A szénülés fázisának lefolyása függ az egyes geológiai korok növényi anyagának összetételétől és az adott helyen a földkéregben uralkodó viszonyoktól. Minél hosszabb ideig tart a szénülés, annál nagyobb a karbon aránya a többi összetevő rovására az elemi összetételben (lásd 1.4.2.2.táblázat és 1.4.2.3.ábra). Egyúttal nő a szén fűtőértéke is. Mindezek következtében a szenek összetétele, kémiai és fizikai szerkezete nagyon különféle, szinte telephelyről telephelyre változik. A kőszén 5000-nél nagyobb molekulasúlyú, szénvázas szerves vegyületekből áll. Ezek szerkezetét még nem sikerült feltárni (a karbonnak mintegy 70%-a benzolgyűrűkben helyezkedik el), de a szenet alkotó szerves vegyületeket eredeti állapotban elkülöníteni sem sikerült, ezért az összetételt vegyületcsoportokkal jellemzik. A huminitek a növényi sejtfalat alkotó lignin átalakulási termékei, az oxinitek kis fűtőértékű, rideg, a kitinitek nitrogéntartalmú szerves elegyrészek, a bituminitek pedig a legértékesebb összetevők. Ez utóbbiak oldószerrel kivonható közepes molekulasúlyú vegyületek, ha részarányuk jelentős, a szenet bitumendúsnak nevezik.

1.4.2.2. ábra

1.4.2.3. ábra

A kőszén többnyire sávos szerkezetet mutat, ami mikroszkóp alatt, de gyakran szabad szemmel is megfigyelhető. A sávokat jellegük szerint csoportosítják: a kéreg- és levélrészekből képződött üvegfényű vitrit hamutartalma kicsi, jól kokszolható; a durit fénytelen, nagy hidrogén- és hamutartalmú, gázfejlődésre hajlamos; a klárit az előbbi kettő közötti átmeneti típus; a rostos szerkezetű fuzit üres sejtek maradványaiból keletkezett, főleg karbon- és oxigéntartalmú, rideg, porlékony sávféleség. E legfontosabbakon kívül más struktúrák is előfordulnak, például az egészen fiatal barnaszenekben a nehezen őrölhető, rostos jellegű xilit.

Koruk alapján fekete- és barnaszeneket különböztetünk meg. A jó minőségű feketeszenek anyagát a karbonkori (300−350millió évvel ezelőtti) mocsárerdők szolgáltatták. E kor buja, főleg zsurlókból, páfrányfélékből, korpafüvekből álló, elhalt növényzete az altalaj lassú süllyedése és a vízszint emelkedése közben folyamatosan tőzegesedett, majd a későbbi kéregmozgások hatására betemetődött. Hazánk mecseki feketeszene fiatalabb, a jurakori (150−200millió év), tengerparti mocsarakból keletkezett. Magyarország széntelepeit az 1.4.2.4.ábra mutatja. A barnaszenek jóval később képződtek, főleg az eocénkor (60−75millió év) sűrű láperdeiből, amelyeknek a növényzete hasonló volt a mai kor trópusi, szubtrópusi és mérsékelt égövi növényeihez. Az eltőzegesedett rétegek később süllyedés és a hordalékok következtében kerültek a földkéreg mélyébe. A magyarországi barnaszenek is nagyrészt ekkor keletkeztek, a Pannon-tenger part menti öbleinek növényzetéből, kisebb mennyiségben találtunk krétakori (75−125millió év) szeneket is.

1.4.2.4. ábra Forrás: OECD IEA: Energy Policies of IEA Countries. Hungary 1999 Review

A barnaszenek és feketeszenek megkülönböztetése megállapodás kérdése. A magyar szabvány –a nemzetközi gyakorlatnak megfelelően– a két széntípus határát 23,87MJ/kg égéshővel jelöli ki, amit az egyensúlyi nedvességtartalmú (durva nedvesség nélküli) és hamumentes mennyiségre kell vonatkoztatni.

A tüzeléstechnikai gyakorlatban a hamutartalmat is magában foglaló mennyiségre vonatkoztatott fűtőértéket veszik figyelembe a szenek minősítésénél, így viszont a kategorizálás kevésbé éles. A feketeszén és a barnaszén választóvonala 17−20MJ/kg körül helyezkedik el. A barnaszenek közül a 40%-nál kisebb bányanedvességűeket kemény barnaszénnek, az ennél nagyobb bányanedvességűeket pedig lágy barnaszénnek nevezik, a mindennapos szóhasználatban az első csoportra a barnaszén, a másodikra a lignit megnevezés használatos. A lignitek fűtőértéke többnyire 10MJ/kg alatt van.

A lignit a legfiatalabb szén, amelynek szerkezete még erősen fás. Nagy nedvesség- és hamutartalma miatt fűtőértéke is alacsony (3,5−10MJ/kg), viszont előnye, hogy nagy mennyiségben található nem túl vastag takarórétegek alatt. Ezért külfejtéssel viszonylag egyszerűen kitermelhető. Rossz tüzeléstechnikai tulajdonságai miatt csak nagy erőművekben lehet gazdaságosan eltüzelni.

Összetételük és tulajdonságaik alapján a barnaszenek között a szárítva széteső, földes, egyenetlen törési felületű, darabos, kagylós törésű, majdnem fekete szurok-, illetve a nagy bitumentartalmú bitumenes barnaszéntípusokat szoktak megkülönböztetni. Külső megjelenése alapján földes, lágy, fénytelen és fényes megjelölés is használatos. A barnaszenet alkotó krisztallitok sok micellából állnak, azokhoz kolloidálisan kötött víz, valamint jó néhány szerves és szervetlen vegyület kapcsolódik. Ez a barnaszén hasznosításánál számos nehézség forrása.

A feketeszenek fűtőértéke 17−33MJ/kg. Ezek között szintén több típust különböztetnek meg. A hosszú lángú szén sok illó anyagot tartalmaz, rosszul kokszolható, lángkemencék ideális tüzelőanyaga. A gázszén kisebb lánggal ég, könnyen gyullad, főleg gázfejlesztésre előnyös, gyengén kokszolható. A kovácsszén jól kokszolható, főleg a kovácsolásnál használják. Akokszszén (zsírszén) a többi feketeszénnél lágyabb, szilárdsága is kisebb, viszont jól összesülő, nagy szilárdságú kokszot lehet belőle előállítani. A sovány kőszén kevés illó anyagot tartalmaz, nem sülőképes, rosszul kokszolódik. A legidősebb szénféleség az antracit, illótartalma egészen kicsi, teljesen homogén (sávosságot sem mutat), rideg szerkezetű, fénye üveges, nem kokszolható.

A feketeszén szerkezete az előrehaladottabb szénülés következtében (1.4.2.2.táblázat) sokkal homogénebb, mint a barnaszéné. A bányászott szénben a felhasználás szempontjából különféle kedvezőtlen alkotók találhatók. Ezek közé tartozik a nedvességtartalom is, ami annál nagyobb, minél fiatalabb a szén. A barnaszenek erősen higroszkóposak, a feketeszenek alig; a nedvességtartalom ligniteknél 50%-ot is elérhet, feketeszeneknél viszont a 15%-ot már nem haladja meg. A szénben levő víz egy része, a durva nedvesség, könnyen eltávolítható (ha a szenet szétterítik és állni hagyják, magától is elpárolog). A kolloid szerkezetű szénben kapilláris csatornák vannak, az ezekben adszorpciósan és kapillárisan kötött higroszkópos nedvességet csak 100°C feletti szárítással lehet eltávolítani. A víztartalom egy kis részét a szervetlen vegyületek hidrátvize alkotja.

A szén eltüzelésénél az a hő, ami a víz elpárologtatásához szükséges, és az, amit az égéstérből távozó gőz elszállít, csökkenti a hasznosítható hőmennyiséget. A távozó nedvesség a kémiailag aktív anyagokkal agresszív vegyületeket alkot, amelyek –különösen a harmatpont alá hűlve– meggyorsítják a szerkezeti anyagok korrózióját. Ezek miatt a szenek nedvességtartalma a berendezések méretezésénél lényeges tényező. A szenek nemcsak tüzelés útján hasznosíthatók, hanem más technológiákban is, mint amiket az 1.4.2.5.ábra mutat.

1.4.2.5. ábra

A legtöbb szénben jelentős mennyiségű kén is található. A barnaszenek kéntartalma átlagosan 0,5−2,5%, de kedvezőtlen esetben 5%-ot is elérhet. A kén többféle módon fordul elő a szénben. A szerves kén a kőszenet alkotó szerves molekulákba beépülve található. A szulfid kén, legtöbbször pirit formájában, összefüggő vékony rétegeket és ereket képez. A szerves kén és a szulfid kén együttesen az éghető kén, ami elégetéskor vagy a lepárlás során gáz alakban távozik. Nem ez a helyzet a szulfát kén esetében, ami legtöbbször gipsz vagy vasszulfát alakjában van jelen. A tüzelésnél kialakuló magas hőmérsékleten a kén − ma még teljesen nem tisztázott − komplex reakciókban vesz részt, egy része a hamuban megkötve visszamarad, nagyobb része azonban kén-dioxid formájában a füstgázban eltávozik. A kén lekötése a salakban és a pernyében a bázikus hamualkotók (CaO, MgO) mennyiségétől függ; ha ezek sztöchiometriai aránya a kénhez viszonyítva 1−2 között mozog, porszéntüzelésnél az éghető kén 8−20%-át lekötik, fluidizációs tüzelésnél viszont a megkötés mértéke 50−80%-ra nő. Akorábban említettek szerint nagy légfeleslegnél némi SO3 is képződik, ami a nedvességgel kénsavat alkot. Ezeket a reakciókat egyes fémek katalizálják.

A szenek eltüzelésekor keletkező szilárd maradék a hamu; e ballasztanyag az összes bányászott szénnek több mint negyed részét teszi ki. A szénben levő hamu többletsúlyt és többletmunkát okoz a szén szállításánál, őrlésénél és mozgatásánál, energiát igényel a salak és pernye eltávolítása is, és ezek a komponensek hőt is elszállítanak a tűztérből. Mindez az energetikai hatásfokot rontja. A hamu egy része, a szabad hamu, a bányászat során a szénhez keveredett, rendszerint palás meddő kőzetekből képződik; ezeket az alkotókat mechanikai vagy más fizikai eljárásokkal el lehet különíteni a széntől. A szabad hamu mennyisége a bányászat és szénelőkészítés technológiájától függ. A hamu másik része a kötött hamu, ami a kőszénben finoman eloszló, mechanikai vagy más fizikai eljárásokkal el nem távolítható, sokféle szervetlen vegyületből képződik. A kötött hamu mennyisége a szén keletkezési körülményeitől függ, a szén jellemzői közé tartozik. A szén jellegétől függően a száraz szénre vonatkoztatott hamutartalom 2 és 60% között mozog, a leggyakoribb hamuképző ásványok az agyag és a kaolin, de előfordul pirit, mészpát, vaspát, ankerit, dolomit, hematit, kvarc stb. is.

A jó minőségű szenek hamujában többnyire a savas alkotók (Si, Al) dominálnak. Minél gyengébb a szénminőség, rendszerint annál több a lúgos összetevő (Ca, Mg, Na). Ez befolyásolja a hamu kémhatását és későbbi viselkedését. A magas hőmérsékleten a szenekben levő szervetlen vegyületek egy része megváltozik; oxidáció, vegyületek lebomlása és más reakciók során alakul ki a visszamaradó hamu. Megjegyzendő, hogy egyes szenekben olyan nyomelemek (As, Pb, Hg stb.) is előfordulhatnak, amik az emberre mérgező hatásúak. Ezek koncentrációja azonban rendszerint elhanyagolhatóan kicsi, a környezetbe jutva sem veszélyeztetik az egészséget. Aggodalomra okot adó feldúsulásuk csak ritka, kivételes feltételek között fordulhat elő. Hasonló a helyzet az egyes szenekben található uránvegyületekkel is.

Az 1.4.2.2.táblázat a száraz, szilárd tüzelőanyagok elemi összetételét mutatta be, tükrözve, hogy a szénülés előrehaladtával hogyan nő a karbon aránya és csökken az egyéb elemeké. Az 1.4.2.6.táblázat a szilárd tüzelőanyagok átlagos strukturális összetételét tünteti fel. Ebben látható, hogy a tüzelőanyagok korától függően hogyan csökken az illó anyagok, a nedvesség és a hamu mennyisége a szénszerkezet javára.

1.4.2.6. ábra

A szénbányászkodás leghatékonyabb módszere a gépesített külfejtés (1.4.2.7.ábra). Ez a technológia nemcsak azért vonzó, mert a balesetveszély minimális, és kevés munkaerővel nagy termelékenység érhető el, hanem azért is, mert így lehet a szénvagyont a legnagyobb mértékben kiaknázni. Ezért ahol a szénrétegek nem fekszenek mintegy 100m-nél mélyebben, és a környezetvédelmi követelmények nem teszik lehetetlenné a felszín szükséges mértékű megbolygatását, ott külfejtés kialakítására törekszenek (a külföldi gyakorlatban már 250−300m-es művelési mélység is előfordul jó szénminőségnél). A külfejtések beruházási költsége a termelt szén mennyiségére vetítve mintegy feleakkora, mint a mélyművelésé. A fűtőértékek különbsége miatt a hőértékre vetített fajlagos beruházás külfejtéses lignitnél magasabb, mint mélyműveléses barnaszénnél.

1.4.2.7. ábra Forrás: http://hampage.hu

A külfejtés a termőtalajréteg eltávolításával kezdődik, amit a későbbi felhasználáshoz külön tárolnak. Ezt követi a fedőréteg letakarítása, amit a szén kifejtése után visszahelyeznek. Akülfejtés akkor gazdaságos, ha a fedőréteg és a szénréteg vastagságának arányát kifejező letakarási arány a szén minőségétől függően nem nagyobb 5−8-nál. Ma már megkövetelik a leművelt bánya helyreállítását, a táj esztétikai rendezését, a felszín rekultiválását mezőgazdasági célra, víztárolók kialakítását stb. A külfejtések kitermelési együtthatója (a kitermelt és az elvileg kitermelhető szénmennyiség aránya) 0,8−0,9. Veszteséget egyrészt az okoz, hogy a fejtés határán elvékonyodó szénréteget már nem gazdaságos lefejteni, másrészt, hogy a fejtés geometriai viszonyait a gépek paraméterei szabják meg. A gépek időnként meddőt is fejtenek a szénnel együtt, ami a szénminőség és a fűtőérték erős ingadozását okozza. A külfejtéses bányákat nagy kapacitással gazdaságos kiépíteni. Enagy teljesítményekhez nagy kapacitású, különleges gépi felszerelés kell. Kemény fedőkőzetnél mozzanatos, puhábbnál folytonos működésű fejtőgépeket használnak. Nagy kapacitású berendezéseket igényel a nagy anyagmennyiségek szállítása és rakodása is.

A jó minőségű szenek gyakran a földkéreg mélyebb rétegeiben vagy külfejtésre egyéb okból alkalmatlan körülmények között találhatók. Ezért a világon felhasználásra kerülő szén jelentős részét mélyműveléses bányákból nyerik. A XX.század harmadik negyedében a szénhidrogénforrások bőségesen biztosították a tüzelőanyagokat, úgy tűnt, hogy a mélyműveléses szénbányászat fokozatosan háttérbe szorul. Katalizálta a folyamatot, hogy a balesetveszélyes mélyművelés vonzereje csökkent, és számos országban a szükséges munkaerő biztosítása is gondot okozott. Az energiahelyzet változása miatt ismét szükségessé vált a mélyebben fekvő szénvagyon kiaknázása. Ez együtt jár a mélybányák nagyarányú gépesítésével és részleges automatizálásával, amit nemcsak a munkaerőgondok enyhítése, a biztonság fokozása, hanem a versenyképesség növelése is megkövetel.

A széntermelés annál gazdaságosabb, minél közelebb vannak a szénrétegek a talaj felszínéhez. A műszaki lehetőségek a mélyművelés alsó határát jelenleg 1200m-ben korlátozzák. (Magyarországon az átlagosnál magasabb kőzethőmérséklet miatt ez mintegy 800m). Az ennél mélyebben elhelyezkedő –nagyon jelentős– szénvagyon kiaknázásához lényeges fejlődést kellene elérni a bányatérségek szellőztetési technikájában, és jóval nagyobb teherbírású támszerkezeteket kellene kifejleszteni a bányaterek biztosítására. E kérdések egyelőre nincsenek előtérben, mert a földkéreg felsőbb rétegeiben is óriási szénkészletek találhatók. Optimálisan a közepes (1−3m) vastagságú szénrétegeket lehet lefejteni, az ennél vastagabb vagy vékonyabb rétegeknél általában nagyobbak a veszteségek. Több réteg esetén a fejtést gyakran a legvastagabb vagy legjobb minőségű réteggel kezdik, az itt kialakított bányatérségek műszakilag megnehezíthetik vagy gazdaságtalanná tehetik a többi réteg kiaknázását. A bányászás koncentrációja és gépesítése a szénvagyon mezők szerinti kiaknázását helyezi előtérbe, ezeket egymástól szénpillérek választják el, amelyeket később nem lehet kifejteni. Ugyancsak veszteséget jelentenek a felszínen levő épületek, műtárgyak alatt meghagyott vagy egyéb okok, pl. vízvédelem miatt kialakított biztonsági pillérek is.

A mélyművelés feltételeit alapvetően a geológiai körülmények szabják meg. A bányászat lehetősége, a legcélszerűbb fejtési rendszer kiválasztása azon múlik, hogyan helyezkednek el a szénlencsék a kísérő kőzetekben. Szerepet játszik a szénrétegek száma, vastagsága, dőlése, szabálytalansága, hibái (pl. a rétegek elmozdulásakor keletkező vetők), a kísérő kőzetek szilárdsága és permeábilitása, a hidrológiai viszonyok, gáz- és vízveszély, nyomás, hőmérséklet és egyéb, a tektonikai viszonyoktól függő paraméterek alakulása. A széntelep megközelítését, a szükséges szállítási, szellőztetési és más funkciók ellátását függőleges irányban (néha ferdén is) aknák, vízszintes irányban tárók biztosítják.

A mélybányászás versenyképességének kulcskérdése a termelékenység növelése. Ezt egyrészt a termelésnek nagy kapacitású bányákban történő koncentrálásával, másrészt intenzív gépesítéssel biztosítják (önjáró biztosítás; maróhengeres vagy gyalus jövesztés; szállítás láncvonszolással). A mai korszerű mélyműveléses bányák széntermelése 103-104 t/nap nagyságrendű, sőt ennél nagyobb is előfordul. A legmunkaigényesebb jövesztési és rakodási feladatokat erőteljesen gépesítették, és megindult a szállítás, víztelenítés, szellőztetés rendszereinek automatizálása is.

Nem várható, hogy a szénbányászat kitermelési együtthatója a közeljövőben jelentősen nőjön. Nehezen képzelhető el, hogy a külfejtések és a széles homlokú mélyművelések már most is viszonylag magas mutatói gazdaságosan tovább növelhetők legyenek. Miután a világ szénvagyona nagy, könnyebb új bányákat nyitni, mint a meglevőknél –jelentős többletköltség árán– növelni a kihozatal arányát. A külfejtések körének bővítését geológiai és környezeti adottságok korlátozzák, a széles homlokú fejtésnek pedig tektonikai feltételei vannak. A nehezen gépesíthető vékony és meredek dőlésű rétegek kifejtésétől vagy el kell tekinteni, vagy meg kell alkudni a rosszabb kitermelési együtthatóval. Egyes szakértők egyenesen a kitermelési együttható romlását valószínűsítik, azt feltételezik, hogy a tömegtermelés érdekében nagyobb fejtési veszteséget fognak megengedni. A magas energiahordozó-árak mellett azonban ezt nehezen lehet általános tendenciaként elfogadni.

A föld alatti termelés bővítésére távlatilag két út kínálkozik: a fejtés automatizálása és a földalatti elgázosítás (1.4.2.8.ábra).

1.4.2.8. ábra

A távirányított, teljesen automatizált bányák erősen foglalkoztatják a műszaki képzeletet, de e technológia kifejlesztésé még hosszabb időt igényel. A fejlődés azonban már megindult ebbe az irányba, a legtöbb bányában a helyhez kötött berendezések 80%-a már automatizált vagy távirányított. A földalatti elgázosítással sok évtizede foglalkoznak, egyelőre kevés sikerrel. A megoldás elve egyszerű, a szénhez levegőt, vízgőzt vagy e kettő keverékét juttatják be, a szenet begyújtják, és a gázok a szénnel reakcióba lépnek. A generátorgáz gyártásához hasonló reakciók terméke alacsony fűtőértékű és erősen szennyezett gáz, amit a felszínre juttatnak, és amely tisztítás után erőművi vagy ipari berendezésekben eltüzelhető, vagy technológiai célra tovább feldolgozható. Ez a technika teljesen kiküszöbölné a föld alatti munkát és elvileg lehetővé tenné a szénvagyon maradéktalan kiaknázását.

Ennek ellentétele, hogy a föld alatt lezajló égés a szén fűtőértékének egy részét felemészti, tehát romlik az energetikai hatásfok. Az égés szabályozása a föld alatt bonyolult feladat, mert a kevéssé ismert struktúrán múlik a hőmérséklet-eloszlás vagy a gázok elszivárgása. A tökéletlen elgázosítás következtében a szén jelentős hányada visszamarad a földben. A nagyüzemi alkalmazáshoz a fejlesztett gázt tisztítani is kell. Problémát okoz a kiégett térség feletti felszín beroskadása elleni védekezés, például iszaptömedékeléssel, továbbá, hogy megakadályozzuk a talajban levő vizeknek az elszivárgó égéstermékekkel való elszennyeződését.

A föld alatti elgázosításhoz eddig nem sikerült olyan technológiát kialakítani, amelyik egyenletes mennyiségben és állandó minőségben szolgáltat gázt. Az égési tér kialakítása és a gázok keringtetése tekintetében többféle rendszert próbáltak ki, közöttük a legígéretesebb a fúrt kutak alkalmazása mind az égést tápláló gáz benyomására, mind az égéstermék felszínre juttatására.

A termelt szén eljuttatása a fogyasztókhoz nagyarányú szállítási feladat. A szén szállítása általában költségesebb, mint más tüzelőanyagoké, ezért csak jó minőségű szeneket érdemes nagyobb távolságra szállítani. A legolcsóbb megoldás a vízi út. Többször 10000tonnás űrtartalmú tengerjáró hajókkal még a kontinensek közötti szállítás is versenyképes lehet. Ez teszi lehetővé a nagy mennyiségű szén szállítását Észak-Amerikából Nyugat-Európába vagy Ausztráliából Japánba. A folyami szállítás is előnyös, ha a szénmedencék és a felhasználók a hajózható útvonalak közelében fekszenek. A belvízi forgalom lehetőségeit azonban több körülmény csökkenti: a hajókat és uszályokat nem lehet néhány ezer tonnás űrtartalomnál nagyobbra építeni (a Dunán is érvényes Európa-szabványban a felső határ 1500t), a forgalom folyamatosságát akadályozhatja az alacsony vízállás, a jégzajlás vagy a folyók befagyása. Mind a tengeri, mind a folyami szállítási módot csak olyan esetekben érdemes kialakítani, amikor azok kihasználása hosszú időre biztosítható, mert csak így fizetődik ki a szükséges kikötők, be- és kirakodó gépek és hajóterek beruházása. Ilyen konstrukcióra példa egy-két nagy amerikai villamosenergia-szolgáltató vállalat, amelyek jelentős belvízi hajóparkot tartanak fenn a stabil szénellátás biztosítására.

A szárazföldön belüli szénszállítás zömét vasúton bonyolítják le, mert így biztosítható a fogyasztók legrugalmasabb megközelítése. Ez nagy terhet ró a vasútra, hiszen a legtöbb országban a szállított áruk mennyiségének mintegy harmadát a szén teszi ki. A szén fogyasztói árában jelentős tétel a vasúti fuvar költsége. A költségek és az átrakási munka csökkentésére az átlagosnál sokkal nagyobb befogadóképességű és önműködően ürítő különleges szénszállító vagonokat szerkesztettek. A forgalom racionalizálására a nagyfogyasztókhoz rendszeres irányszerelvényeket indítanak. Üzemben vannak például 100db 100t-s vagonból álló egységvonatok, amik ingajáratban tízezer tonna szenet szállítanak egy 2400 km-re fekvő erőműbe (USA).

A szénszállítás legtökéletesebb megoldása a termelő és fogyasztó közötti közvetlen szállítási rendszer. Természetesen ez csak koncentrált nagyfogyasztóknál –elsősorban erőműveknél– valósítható meg. Ha a távolság kicsi, a bánya és az erőmű közötti közvetlen szállítószalag biztosítja a megoldást, mint például a visontai külfejtés és a Mátrai Erőmű között.

A korábban említettek szerint a szénfelhasználás mindig tárolással jár, ami számottevő veszteségek forrása. Részleteiben még nincs tisztázva, hogy a környezettel kölcsönhatásban milyen fizikai és kémiai folyamatok játszódnak le eközben. A hosszabb idejű tárolás alatt főleg a barnaszenek használati értéke csökken, aprózódás, illó komponensek eltávozása, a sülőképesség csökkenése, száradás vagy nedvesedés, a szén oxidálódása a legjellemzőbb folyamatok; az utóbbi túlmelegedett gócokban öngyulladáshoz is vezethet. Kedvezőtlen körülmények között a fűtőérték csökkenése néhány hónap alatt 10%-ot is elérhet, ami energetikailag már nem elhanyagolható veszteség. A széntárolók megfelelő kiképzésével és rendszeres felügyeletével a veszteséget mérsékelni lehet.

Fosszilis energiahordozók II.: Kőolaj

Korunk energiagazdálkodásában a legnagyobb szerepet játszó energiahordozó a kőolaj. Akőolaj keletkezését illetően megoszlanak a vélemények. Ma az a legáltalánosabban elfogadott magyarázat, hogy a tengerekben elhalt és a fenékre süllyedt állati és növényi szervezetek, elsősorban egysejtű lények alkotta iszap –a szapropél– levegőtől elzártan, mikroorganizmusok hatására bekövetkező bomlásának terméke (1.4.3.1.ábra). A szerves anyag átalakulása a növekvő betemetődéssel a következő szakaszokban történik:

  • Diagenezis: A biopolimerekből geopolimerek képződnek, és a szerves anyag kerogénné alakul. A kerogén átmeneti állapot a szerves anyag és a szénhidrogének között. Benne mikroszkóp alatt a szerves eredetű roncsok felismerhetők, de a szerves anyagtól megkülönbözteti az, hogy szerves oldószerekben már nem oldható. A lebontást kezdetben a baktériumok végzik, így biogén metán keletkezik, de ez elillan a légkörbe. A diagenezis 60 °C-ig tart (1−2 km mélység).

  • Katagenezis: A kerogénből apró cseppek formájában elkezdődik a kőolaj és földgáz elkülönülése. Ez a szakasz 60−175 °C-ig tart, ami 4 km körüli maximális mélységnek felel meg. A szakaszt olajablaknak is nevezik, utalva a kőolaj elkülönülésére.

  • Metagenezis: A kerogénből történő direkt elkülönülés megszűnik. Csak metán keletkezik az előzőkben elkülönült szénhidrogének termikus átváltozásával. Az átalakulásban döntő szerepe a hőmérsékletnek van, az idő és a nyomás szerepe alárendelt. Aszénhidrogén-képződés intenzitása a hőmérséklettel exponenciális, az idővel lineáris összefüggésben van.

1.4.3.2. ábra

A keletkezett szénhidrogének a földkéregben elvándoroltak, migráltak, míg kőolajcsapdának nevezett, megfelelő zárórétegek közé nem kerültek (1.4.3.2.ábra). Így alakultak ki a kőolajtelepek. A kőolajcsapdákat felül gázzáró, boltozatos kőzetréteg vagy vetőrendszer határolja. Akeletkezésre vonatkozó elmélettel összhangban van, hogy a kőolajtelepek általában tengeri eredetű üledékes rétegekben találhatók. A magyar kőolajvagyon jó részének eredetét például a hazánk területét borító triászkori (200−250millió év) tenger üledékeire vezetik vissza, amiből a kőolaj az üledékes mészkő karsztos repedéseiben gyűlt össze. A legkiterjedtebb kőolajtelepeket a nagy táblák felboltozódásainál lehet találni (arab-félszigeti, szaharai, Volga−Urál-vidéki, észak-amerikai táblák), kisszámú, egymás alatt fekvő rétegben. A nagy geológiai törésvonalaknál kialakuló kőolajmezőket kis felület, de nagy mennyiség jellemzi, gyakran sok rétegben (pl. Baku, Kalifornia). A kontinentális talapzatok üledékes rendszereiben szintén kedvezőek a feltételek a kőolaj felhalmozódására.

A kőolaj eredete nemcsak tudományos szempontból tart számot érdeklődésre, hanem hasznosan alátámasztja a kőolajkutatást is a reményteljes területek kiválasztásában. A földkéreg 15km-nél mélyebb tartományában olyan állapotjellemzők uralkodnak, amelyeket a szerves anyagok már nem viselnek el, ott tehát kőolaj nem képződhetett, a kőolaj-előfordulásokat csak 15km mélységig lehet remélni. A kőzetekben található ősmaradványok típusaiból –a szerves eredet alapján– szelektálhatók a kőolajképződés szempontjából számításba vehető térségek is. A szapropél eredete, kora, bomlásának körülményei, a szénhidrogének migrációjának útja és geológiai feltételei nagyon változatosak lehetnek, ennek következtében a földkéregben található kőolajtelepek fizikai és kémiai tulajdonságai nagyon eltérőek. Egészen világos, híg-folyós olajoktól kezdve fekete, félkemény anyagokig a legkülönbözőbb színű (fehér, szalmaszínű, sárga, vörösesbarna, barna, zöld stb.) és konzisztenciájú olajok előfordulásai ismeretesek. A molekulasúlytól és aszfalttartalomtól függően a kőolaj viszkozitása nagyon változó, szobahőmérsékleten a híg-folyós és a sűrű, kenőcsszerű állapot között sokféle jelleget mutat. A különféle kőolajok sűrűsége 700 és 1000kg/m3 között változik.

A kőolaj több mint 75%-át általában szénhidrogének alkotják (nehéz, fiatal olajoknál néha jóval kevesebbet, pl. egyes venezuelai olajoknál 35−38%-ot). E szénhidrogének páros számú hidrogént tartalmazó molekulák homológ sorának tagjai, molekulasúlyuk 16 és 850−900 között van. A nyílt szénláncú molekulák közül főleg telítettek fordulnak elő; ezeknek az egyenes vagy elágazó láncú paraffinoknak az általános képlete: CnH2n+2; telítetlen, nyílt láncú szénhidrogének, vagyis olefinek (CnH2n) ritkán és csak kis mértékben találhatók a kőolajban, ezeket a feldolgozás során kell előállítani. A zárt szénláncú, ciklikus szénhidrogének közül mind telített, mind telítetlen molekulák előfordulnak a kőolajban. Az egy vagy több telített gyűrűből felépített naftének (más néven cikloparaffinok) néha alkillánc-szárnyleágazást is tartalmaznak. A telítetlen, kettős kötést tartalmazó zárt szénláncú vegyületek ritkábbak, ezek közül főleg a legalább egy benzolgyűrűt tartalmazó aromások fordulnak elő (CnH2n−1− CnH2n−30). A nyersolajban nagy számban találhatók az említett vegyületcsoportok egymással alkotott vegyületei is. Külön csoportot alkotnak aszfaltos anyagok, amik hidrogénszegény, gyűrűs szerkezetű, nagy molekulájú vegyületek. Az olajok jellemzőit koruk szerint a 1.4.3.3.ábra mutatja.

1.4.3.3. ábra

A nyersolajok osztályozásának egyik módja azt veszi figyelembe, hogy az anyagi összetételben az említett vegyületcsoportok közül melyik a domináns. Eszerint paraffinbázisú, intermedier, nafténbázisú és aszfaltbázisú nyersolajokat különböztetnek meg. A besorolás sűrűségmérésen alapul, ugyanis a sűrűség annál nagyobb, minél kisebb a H/C-arány a molekulákban. A paraffinok sűrűsége a legkisebb, a naftének nagyobb, az aromásoké még nagyobb, és legnagyobb az aszfaltanyagoké.

A hazai kőolajok között paraffinos (Algyő), bitumentartalmú (Nagylengyel) és intermedier típusúak találhatók. A kőolajok osztályozására bemutatott módszer az egyik lehetőség a sok közül. A nemzetközi gyakorlatban számos, ennél jóval bonyolultabb rendszer használatos; ezek egységesítésére törekednek.

Az olajok sokfélesége miatt azonban egyik rendszer sem ad teljes körű információt, elkerülhetetlen a részleges egyedi kémiai és fizikai elemzés. A világpiacon ezért a kőolajokat általában származási helyükkel és sűrűségükkel jellemzik. Az utóbbira leginkább az API- (American Petroleum lnstitute) sűrűségskálát használják. A sűrűség a feldolgozás lehetőségeire jellemző: minél kisebb az olaj fajsúlya, annál több motorhajtóanyagot lehet belőle előállítani. Újabban a feldolgozásnál kinyerhető párlatok jellegén és arányán alapuló értékelési módok kezdenek meghonosodni.

A kőolaj az említett szénhidrogéneken kívül más anyagokat is tartalmaz. Többnyire van benne sós víz (a tengeri eredet következtében), ami legnagyobbrészt kolloid emulzió formájában található. Rendszerint jelentős mennyiségben tartalmaz oldott gázokat is, egyes kőolaj-előfordulásoknál 1liter olajhozamhoz tartozó, a normális állapotjellemzőkre átszámított gáztérfogat eléri az 1m3 -t is. Ugyancsak találhatók az olajban ásványi szennyezések és szuszpendált, szilárd kolloidrészecskék, amiket a környezetéből ragadott magával.

Az olajjal együtt kitermelt víz és gáz leválasztása után az elemi kémiai analízis szerint az olajban található elemek aránya többnyire a következő határok között mozog (lásd: 1.4.3.4. táblázat)

1.4.3.4. ábra

A táblázatból kitűnik, hogy a szénhidrogéneken kívül az olajban más, nemkívánatos anyagok is vannak. Legkedvezőtlenebb a kén, ezért a kéntartalom alapján is szokás az olajokat minősíteni (korrozív kénvegyületeket tartalmazó savanyú, illetve ilyeneket nem tartalmazó, édes olajokra, vagy a kénmennyiség szerint osztályozva). A kéntartalom átlagosan 2−3%, a hazai olajok közül az algyői kéntartalma alacsony, viszont a nagylengyelié 3,5%. A kén legtöbbször olajban oldott kénhidrogén, gyakran szulfidok formájában vagy az aszfaltanyagokhoz kapcsolódva van jelen, de lehet szervetlen elemi kén is. Olajtüzelésnél a füstgázban a kén-trioxid elérheti a kén-dioxid 12%-át is, a kénsavképződés, és így a korrózió veszélye azonos kéntartalomnál nagyobb, mint széntüzelésnél. A nitrogén heterociklusos vegyületekben, merkaptánokban jelentkezik, az oxigén többnyire szerves vegyületekben található (nafténsavak, zsírsavak, gyanta- és aszfaltanyagok), néha fémek komplex vegyületeiként is előfordul. A fémek oxidokban, szerves sókban jelennek meg.

A kőolaj porózus kőzetek szilárd anyaggal ki nem töltött térfogataiban, szemcsék között, pórusokban, repedésekben helyezkedik el. A tároló kőzetek porozitása 3 és 30% közé esik, permeábilitása 3 nagyságrendben szóródik. Egy-egy olajtartalmú réteg vastagsága néhány métertől néhányszor tíz méterig terjed. A rétegben legtöbbször nemcsak olaj található, hanem a csökkenő sűrűség függvényében többféle közeg rétegeződik egymás felett, amelyeket egymástól nem éles határfelületek, hanem a közegek keverékéből álló átmeneti tartományok választanak el. Legfelül többnyire szabad gáz található. Ez nagy részben metán, de kis mennyiségben más, kis molekulasúlyú szénhidrogének is előfordulnak, főleg közvetlenül a kőolajréteg felett. Változó mennyiségben található a gázban szén-dioxid, hidrogén-szulfid és nitrogén is, néha a gáznak ezek a fő alkotórészei (inert gázok). A gázt száraznak nevezik, ha csak metánt vagy inert komponenseket tartalmaz, és nedvesnek, ha más szénhidrogének is vannak benne, mert ezek a légköri viszonyok között kondenzálódnak.

A kőolaj szórványos és kis mennyiségű felszíni előfordulásaival az emberiség már az ókorban találkozott, de ezeket csak véletlenszerűen és nem energetikai célra hasznosította. Babilonban téglákat tapasztottak vele, a rómaiak az ellenséges hajóhad felgyújtására használták, Kolumbusz trinidadi aszfalttal impregnálta hajóit, később gyógyszerként is alkalmazták. A kőolajtermékek iránt az első jelentős társadalmi igényt a petróleumvilágítás megjelenése támasztotta, ennek hatására megkezdődött a felszín közelében található olajleletek kiaknázása. A kezdetleges lepárlás többi frakciója értéktelen, sőt veszélyes hulladék volt, és szigorú előírásokkal próbálták megakadályozni, hogy a tűzveszélyes benzinnel hígítsák a petróleumot. AXIX.század utolsó évtizedeiben úgy tűnt, a gáz, majd a villanyvilágítás elterjedése megkérdőjelezi a fellendülőben levő olajipar jövőjét, aminek csak egy piaca marad: az új felhasználóként jelentkező vasutak kenőanyag-ellátása. A belső égésű motorok és a gépkocsi feltalálása azonban robbanásszerű fejlődést idézett elő. E példátlan fellendülést érzékelteti, hogy a világ olajtermelése az 1870. évi 1millió tonnáról a századfordulóra 20-szorosára, majd az első világháborúig 50-szeresére nőtt, és napjainkban ennek 7000-szeresét termelik.

Az olajból nyert motorhajtóanyagok nemcsak a közlekedési eszközök és mobil munkagépek pótolhatatlan üzemanyagai, hanem biztosításuk a gépesített hadseregek ütőképességének is kulcskérdése. Ezért az olajkészletek kiaknázása és feldolgozása körüli ipari-gazdasági konfliktusok ötvöződtek a nagyhatalmak közötti politikai-katonai konfrontációval. E különleges politikai és stratégiai háttér még tovább növelte az olajtársaságok profitszerzési lehetőségeit, tevékenységük gyakran fonódott össze egyes országok állami magatartásával. Ennek során azonban az üzleti érdekek képviselete mindig elsőbbséget élvezett az állami érdekek előtt, még egy világháború időszakában is (pl. üzemanyag-szállítás az ellenséges országnak).

Az OPEC (Olajexportáló Országok Szervezete, Organisation of Petroleum Exporting Countries) országai a világ olajtermelésének több mint felét szolgáltatják, ami túlnyomó részében exportra kerül. Az olajvásárlás teszi ki a világkereskedelemnek mintegy 20%-át, aminek 90%-a a fejlődő országokból származik, és innen fedezik az egyes országok szükségletének 70%-át. A legtöbb európai ország, valamint Japán gazdasági élete erősen függ az OPEC-országoktól, mindenekelőtt a Közel-Keletről vásárolt olajtól. Az Egyesült Államok potenciális készletei elvileg alapot adnak az önellátásra, de az olcsó importált olaj miatt nem készítették elő e készletek kiaknázását, ami még a jelenlegi olajárak mellett sem mindig bizonyulna versenyképesnek. Ez egy nagyhatalom helyzetét nagyon sebezhetővé teszi, ezért az Egyesült Államok vezető politikusai az olajválság kibontakozásakor hajlottak annak gyors, határozott, esetleg erőszakos rendezésére. A világ olajkészleteit a 1.4.3.5.ábra mutatja.

1.4.3.5. ábra

Az „olajválságok” hatására ugrásszerűen megnőtt az új lelőhelyek kutatása. Bár ennek folytán számos új lelőhelyet tártak fel (pl. Nigéria, Angola, Brazília, Kolumbia), az újonnan talált készletek zöme szintén a Perzsa-öböl és Észak-Afrika országaiban fekszik. A kutatás mind kedvezőtlenebb adottságú területekre terjed ki, így a nagyon mély rétegekre, a nehezen megközelíthető, vastag rétegben átfagyott talajú sarkköri övezetekre, kellemetlen trópusi vidékekre. Különösen reményt keltő a kutatás a selfeknek nevezett kontinentális talapzatokban. Ezeket az üledékes szerkezetű területeket legfeljebb 200−300 méter mélységű sekély tengerek borítják, szélességük néhány száz kilométer. A legkedvezőbb adottságú területeken gyorsan kibontakozott a termelés (Perzsa-öböl, Kaszpi-tenger, Északi-tenger, Alaszka, Mexikói öböl, afrikai partok stb.), a világ olajtermelésének közel 30%-a már a selfekből származik. Bíztatóak az olaj utáni kutatások a mélyebb tengerek alatt is, a kontinentális talapzatok folytatásában, a kontinentális rézsűben, az ezt követő óceáni lapályokban, továbbá az üledékes szerkezetű zárt óceáni medencékben.

1.4.3.6. ábra Forrás: TOPIC PAPER #21 EXPLORATION TECHNOLOGY Working Document of the NPC Global Oil & Gas Study, 2007

Az olajlelőhely felderítése (1.4.3.6.ábra) és a termelés megindítása között többnyire öt-tíz évre van szükség. Először az olajmező felmérésére és a vagyon nagyságának meghatározására kerül sor. Ezt követi a termelési terv és a technológia megtervezése. Néhány évet vesz igénybe a termelőkutak kialakítása, a mezőn belüli csőhálózatok kiépítése és a termeléshez szükséges felszíni létesítmények megépítése. Az olaj kitermelése fúrt kutakkal történik, amelyeket a kitermelni kívánt olajrétegnél perforálnak. A kútfúrás technikája mind a fúrási sebesség, mind az elérhető mélység tekintetében gyorsan fejlődik. A fúrás sebessége a kőzetek keménységétől függően naponta néhányszor 10cm és néhányszor 100m között változik, átlagértéke 50m/nap. A fúrások mélységének technikai határa is állandóan kitolódik, bár a nagyon mély fúrások rendkívül költségesek. A kutatófúrások már túlhaladták a 15km-es mélységet. A kutatófúrásokat viszonylag kis ráfordítással termelőkutakká lehet átalakítani. A termelőkutak általában több ezer méterről hozzák felszínre az olajat, a legmélyebb termelő olajkút jelenleg 10685m mély. A termelőkutak átlagos napi hozama 10−100t, de természetesen mind lefelé, mind felfelé előfordulnak ettől szélsőségesen eltérő értékek is. A kőolajmezők termelési élettartama az üzemvitel módjától függ, az átlagérték négy évtized körül mozog. Üzemviteli okokból gyakran kell egyidejűleg több közeg áramlását biztosítani a kútban, például egyszerre két távolabb fekvő rétegből kell felszínre juttatni az olajat, vagy az olajtermelés közben más anyagot kell a mélybe nyomni. Ezt úgy oldják meg, hogy a kút közepén vékonyabb acélcsövet helyeznek el, az egyik közeg ennek a belsejében áramlik, a másik pedig e cső külső felülete és a béléscső közötti térségben.

Teljesen új technika kidolgozását igényelte a tenger alatti kőolajbányászat. Ehhez olyan úszóműveket és egyéb berendezéseket kellett kialakítani, amelyek 10−12m-es tengeri hullámok mellett és heves szélviharok idején is biztosítják a stabil összeköttetést a felszín és a tengerfenék között. A beruházási költségek nagyon jelentősek, átlagosan a vízmélységgel exponenciálisan nőnek. A kutatás egyszerűbb, mint a szárazföldön, hiszen csak a tengerfenéken kell a szilárd kőzetet megbontani. A kutatófúrások csúcsteljesítménye 6,3km vízmélység alatt 600m-es behatolás. A kutatófúrásokat 200m-es vízmélységig fix állványokról, azon túl lehorgonyzott fúróhajókról vagy mesterséges szigetekről végzik. A termelőkutakat kezdetben a tengerfenéken álló fix fúrófedélzetekről mélyítették le (10−15m-ig), ezeket a fenékre leereszthető lábakkal ellátott úsztatható fedélzetek váltották fel (150−200m-ig). A nagyobb mélységű tengerekben úszó fedélzeteket használnak, az első időszak lehorgonyzott fúróhajóit félig merülő lehorgonyzott úszószerkezetek helyettesítik, ma ezek teszik ki a berendezések zömét. Még nagyobb mélységhez dinamikusan pozícionált lebegő szerkezetek szükségesek, a helyben tartást szolgáló hajtóműveket számítógépek vezérlik.

A termelőfedélzetek alkalmasak hajók és helikopterek fogadására, az üzemvitelhez szükséges személyzet és berendezések elhelyezésére. Ezeken rendszerint több kútból gyűjtik össze az olajat. A tenger alatti termelés legnagyobb veszélye, hogy csőtörés esetén a kiömlő hatalmas olajmennyiség annyira elszennyezi a tengert, hogy élővilága kipusztul. Ennek megakadályozására a tenger fenekén automatikus kitörésgátló berendezést kell elhelyezni. A kitermelt olajat 200m-nél sekélyebb vízben csővezetéken is partra lehet juttatni, mélyebb vízben vagy nagy távolságoknál egyelőre csak a tartályhajók jöhetnek szóba.

A szárazföldi olajbányászat (on shore) hatékonysága meglehetősen alacsony. Az átlagos kitermelési együttható 0,3−0,4, vagyis az olajkészletek 60−70%-át nem sikerül a felszínre hozni. A tengeralatti (off shore) termelés kihozatala nagyobb, átlagosan 40% körüli, és a kutak átlaghozama is nagyobb. A kőolajbányászat mélységének időbeli változását szemlélteti az 1.4.3.7.ábra.

A termelésben elsődleges, másodlagos és harmadlagos eljárásokat különböztetnek meg. Az elsődleges eljárásoknál a termelés lényegében az olajra ható felhajtóerőn alapul, a másodlagosaknál a felhajtóhatást különféle közegek benyomásával növelik, a harmadlagosaknál pedig a porózus tárolókőzeten belül is befolyásolják az olaj mozgását.

Az elsődleges termelési módszernek több válfaja van. A kőolajmezők egy részében olyan felhajtóerő hat az olajra, hogy az a kutakon keresztül külső beavatkozás nélkül is a felszínre jut. Ilyen felhajtóerőt biztosíthat az olaj felett elhelyezkedő gázsapka nyomása, ami kiszorítja maga előtt a pórusokból az olajat. Ahogy csökken ez a nyomás, úgy csökken a kút hozama. Bizonyos felhajtóerőt jelent az olajban oldott gáz energiája is. A másik nagy felhajtóerő az olaj alatt elhelyezkedő víz hidrosztatikus nyomása, a víz felemeli maga előtt az olajat. A víz tökéletesebben kiszorítja a pórusokból az olajat, mint a gáz, és az ilyen kutak hozama mindaddig állandó, amíg a víz szintje el nem éri a kútban a belépés helyét, amikor is a kút elvizesedik. A természetes felhajtóhatás azonban fokozatosan csökken, és az ilyen felszálló termeléssel az olajkészletnek csak kis hányada jut a felszínre.

1.4.3.7. ábra

A felszálló termelésnél a kihozatal azáltal fokozható, hogy a termelőcső és a béléscső közé folyamatosan vagy szakaszosan segédgázt nyomnak be, ami a kút talpánál keveredik az olajjal és felhajtóhatást eredményez (gázlift). Ha a felhajtóhatás erősen gyengül, illetve amikor nagy viszkozitású olajok esetén eleve kevés a kitermeléshez, szivattyúzásra van szükség. Erre a célra a kút talpánál mélyszivattyút építenek be, ezt régebben a felszínről rudazattal mechanikusan működtették, ez azonban csak kis mélységig hatásos. A korszerű megoldás közepes mélységig a villamos hajtás, nagy mélységben pedig a hidraulikus hajtás. A világon kitermelt olaj 15%-át szivattyúzással hozzák a felszínre, egyes országokban azonban sokkal nagyobb ez az arány.

A másodlagos termelési módra régebben akkor tértek át, amikor az elsődleges lehetőségek kimerültek. A készleteket azonban nagyobb mértékben lehet kiaknázni, ha már a felszálló termelés alátámasztására beiktatják, ezért terjed az elsődleges és másodlagos termelési eljárások együttes alkalmazása. A másodlagos termelés történhet a gáz visszanyomásával a gázsapkába, víz benyomásával az olajréteg alá vagy e két módszer kombinálásával. A gázt az olajtermelést kísérő gázból, vagy sűrített levegővel, esetleg CO2-vel lehet biztosítani, víz kinyeréséről viszont külön kell gondoskodni, a termelt olajjal megegyező vagy annak többszörösét kitevő mennyiségben. A földgáz értékének növekedése következtében a szénhidrogéngázok visszanyomását mindinkább szükségmegoldásnak tekintik. Ígéretesnek tartják a szén-dioxid visszanyomását –egyes kutaknál 1t szén-dioxid benyomásával 20 t többletolaj kitermelését is elérték. Sajnos, a másodlagos eljárások nem mindig hatásosak, alkalmazhatóságuk függ az olaj viszkozitásától és a környező kőzetek fizikai tulajdonságaitól. A másodlagos eljárásokkal kiaknázhatóvá válik a készletek további 5−15%-a. Széles körű bevezetésük az eredő kitermelési együtthatót 0,4−0,5-re növelné. A víz és más nagy nyomású fluidumok besajtolása a rétegek repesztését idézi elő, főleg a kemény kőzetekben, ami az átbocsátás és a kihozatal növekedését eredményezi. E célra néha földalatti robbantásokat is alkalmaznak.

Az olajárak emelkedése nagy lökést adott a harmadlagos termelési módszerek fejlesztésének. Az eljárások az olaj mozgékonyságának növelését és a környező kőzetekben az átbocsátás javítását célozzák. Ezek ugyan számottevően növelik a termelési költségeket, nagyarányú elterjedésük mégis várható. A harmadlagos eljárások alkalmazhatósága függ az olaj minőségétől és a lelőhely jellegétől, ezért ezeket az eljárásokat kőolajmezőnként kell kikísérletezni. Nehéz, nagy viszkozitású olajoknál célszerűek a viszkozitást csökkentő termikus eljárások. Ezek egy része forró víz vagy gőz besajtolását jelenti, ami az olaj hőkiterjedését, viszkozitásának és felületi feszültségének csökkenését eredményezi, sőt bizonyos mértékű desztillációt és oldást is. A gőzt 40−90barral nyomják be, egy tonna járulékos olaj kitermelése 4−40t gőzt igényel. Egy másik eljárásnál az olajat a föld alatt meggyújtják, az égést levegő befúvásával táplálják, az égési zóna előrehaladva kiszorítja maga előtt az olajat. Természetesen az égés az olaj egy részét (10−20%) felemészti, egy tonna többletolaj kihozatalhoz átlagosan 2000m3 levegőt kell benyomni. A folyamat hatásosságát vízgőz bekeverésével növelni lehet, a keletkező vízgáz szintén részt vesz a reakcióban, így csökken a levegőszükséglet. Nagyon nagy viszkozitású olajnál a stimuláló eljárás jöhet szóba: a kútnál váltakozva alakítanak ki termelő és injektáló periódusokat, az utóbbiban gőzt vagy oldószert nyomnak be a viszkozitás csökkentésére. Könnyű, kis viszkozitású olajakra szintén több eljárást dolgoztak ki. A besajtolt vízhez adagolt nátronlúg vagy más felületaktív anyag (karbonátok, alkáli-szilikát-oldatok stb.) a felületi kapillaritás és az interfaciális erők módosítását eredményezi, a felületek hajlamosabbak lesznek vízzel nedvesedni, mint olajjal. Az additív olajtermelés tonnánként 5−10kg felületaktív anyag adalékolását igényli. Hogy a víz ne szivárogjon el kitüntetett irányokba, a viszkozitás beállítása esetleg más adalékokat is szükségessé tehet (pl. poliakrilamid). Az is előfordul, hogy a felületaktív közeget iszap formájában nyomják be, és − hogy a víz ne mossa ki −, puffer közeggel választják el a benyomott víztől. Az olajkitermelés, -feldolgozás és -szállítás előzőekben leírt folyamatát a 1.4.3.8.ábra illusztrálja.

1.4.3.8. ábra

Fosszilis energiahordozók III: A kőolaj feldolgozása

A kőolajat közvetlenül, természetes formájában csak kivételes esetekben használják fel. Japánban például erőműben tüzelnek el nagy kén- és aszfalttartalmú, csekély fehérárut szolgáltató nehéz nyersolajat. Az effajta hasznosítás azonban nem jellemző és visszaszorulóban van. A termelt kőolajat jóformán mindig kőolaj-finomítókban dolgozzák fel, hogy abból motorhajtó- és tüzelőanyagokat, kenőanyagokat és petrolkémiai termékeket állítsanak elő.

A motorhajtóanyagok –más néven fehéráruk– között megkülönböztetik a 40−200°C forrpontú vegyületekből álló benzint, a 160−300°C forráspontúakat tartalmazó petróleumot és a 200−350°C forráspont-tartománnyal jellemezhető gázolajat (Diesel-olajnak is nevezik). E kategorizálás azonban nem egységes, előfordul 40−300°C forráspontú (r=625−840kg/ m3 sűrűségű) könnyű, és 300°C feletti forráspontú (r>840kg/m3) nehéz termékek szerinti osztályozás, vagy könnyű, közepes és nehéz párlatok megkülönböztetése 40°C (r=625kg/m3), 250°C (r=875kg/m3) és 350°C (r=0,900kg/m3) határpontokkal. A benzin a kisebb teljesítményű, szikrával gyújtó Otto-motorok tipikus hajtóanyaga; a kompressziós gyújtású, nagyobb teljesítményekre, valamint munkagépekben használt Diesel-motorok üzemanyaga a gázolaj. A gázturbinás hajtóművek speciális petróleummal, a 140−280°C forrpontú kerozinnal üzemelnek. Az említett csoportosításon belül a frakciók széles skáláját különböztetik meg, például a benzinek között gázbenzint (forráspontja 65°C alatt van), könnyű benzint (65−100°C), középbenzint (100−150°C) és nehéz benzint (150−200°C).

A motorhajtóanyagoktól megkívánt fizikai és kémiai tulajdonságokat részletes szakmai termékszabványok írják elő. A műszaki fejlődés következtében változnak az alkalmazás felté­telei, ennek megfelelően módosulnak a szabványokban lefektetett követelmények is, többnyire a szigorítás irányába. Az előírások egy részét a szállítás, tárolás és egyéb manipulációs műveletek szabják meg, másokat a felhasználás szempontjából jellemző erőgépek működése. Aminősítés gyakran tapasztalati úton kialakított, vizsgálati eljárásokkal meghatározott, egyezményes mérőszámokkal történik. A motorbenzinnél például követelmény, hogy a karburáláshoz optimális legyen az illékonysága, ne korrodáljon, ne képződjön gyanta, jó legyen a kompressziótűrése; a gázolaj szivattyúzásához megfelelő viszkozitás kell és alacsony dermedéspont, ne legyen hajlamos kokszképződésre, jó legyen a gyulladási hajlama; a kerozin a nagy magasságra jellemző nagy hidegben is maradjon folyékony, nyomokban se tartalmazzon vizet, ami befagyhat a szűrőbe, magas hőmérsékleten ne oxidálódjon, ne legyen hajlamos a kokszképződésre, különben eltömi a fúvókákat stb. Újabban fokozódó követelmény a motorhajtóanyagokkal szemben, hogy égéstermékük környezetszennyező hatása se legyen nagy.

Lényegesen enyhébbek a követelmények a fűtő- és tüzelőolajokkal szemben. Ezek fűtőértéke mintegy 42MJ/kg. A tüzelőolajok desztillációs párlatok, gyakran gázolajjal vagy más komponensekkel keverve kerülnek forgalomba. Dermedéspontjuk alacsony, és viszkozitásuk sem nagy, háztartásokban és ipari berendezésekben kitűnő tüzelőanyagok. Környezeti hőmérsékleten folyékonyak és jól porlaszthatók. Többféle minőségben kerülnek forgalomba. A háztartási tüzelőolaj lényegében gázolaj, amit lakások fűtésére (olajkályha, etázsfűtés stb.) használnak. A könnyű tüzelőolaj gázolaj és paraffinos párlatok keveréke, igényesebb, nagyobb berendezések (nagy konyha, sütőipari kemence, mezőgazdasági szárítók, hőkezelő kemencék) tüzelőanyaga. Kénmentes tüzelőolajra van szükség, ha a kéntartalom zavarja a technológiát (a füstgáz érintkezik az erre kényes termékkel), vagy a környezetvédelem ezt igényli. Az általános tüzelőolaj gázolaj és pakura keveréke, a központi fűtések és a kisebb ipari kemencék tüzelőanyaga; az előző típusoktól eltérően ezt tüzelés előtt 50−60°C-ra kell felmelegíteni. A fűtőolajok a lepárlásnál visszamaradó maradványolajok, amelyeket magas dermedéspont és nagy viszkozitás jellemez. Ugyancsak több változata kerül forgalomba. A felhasználhatósági követelmények kielégítése érdekében a fűtőolajokat a szállításhoz is, az elégetéshez is fel kell melegíteni, ezért csak nagyobb tüzelőberendezésekben alkalmazhatók. A tüzelőolajok és fűtőolajok megnevezéséhez tört számot is használnak, amelynek számlálója a lefejtéshez, nevezője a porlasztáshoz szükséges minimális hőmérséklet. A könnyű kénmentes fűtőolaj bizonyos olajok pakurája, ez a legjobb minőségű tüzelőolaj, amit a kohászatban és a kénre érzékeny technológiák kemencéiben használnak. A kénes fűtőolaj pakura és desztillációs termékek keveréke, ipari kazántelepek, cementipari kemencék tüzelőanyaga. A közepes fűtőolaj a könnyű és nehéz termék keveréke, kevésbé igényes kemencékhez és kazánokhoz használják. A nehéz fűtőolaj bitumentartalmú pakura, amit nagy ipari és erőművi kazánokban tüzelnek el. Az olajból előállított tüzelőanyagok fűtőértéke között nagy különbség nincs, de anyagjellemzőik és összetételük között számottevőek az eltérések. A háztartási tüzelőolajtól a nehéz fűtőolaj felé haladva a sűrűség, a viszkozitás, a dermedéspont, a lobbanáspont és a manipuláció szempontjából mértékadó hőmérsékletek általában növekvő tendenciát mutatnak. Ugyanez vonatkozik a nemkívánatos komponensekre is, amelyek közül a kéntartalom a legkritikusabb. A kén a kőolajban többnyire a nagy molekulákhoz kapcsolódik, ezért a lepárlásnál a nehéz frakciók kénben bedúsulnak. A környezetvédelem számára különösen értékesek a kénmentes –szabatosabban: kis kéntartalmú– tüzelőanyagok (< 1%), amelyeket vagy kis kéntartalmú kőolajból nyernek, vagy a finomítást követő kénmentesítő eljárással állítanak elő.

1.4.4.1. ábra

A kőolaj-finomítás leglényegesebb művelete a frakcionális desztilláció, ami a kőolajban lévő különböző forráspontú vegyületek szétválasztását szolgálja. Ennek során a hőcserélőkön keresztül előmelegített, majd a csőkemencében felmelegített kőolajat a frakcionálótoronyba vezetik és ott elgőzölögtetik (lásd 1.4.4.1.ábra). A frakcionálótoronyban tányérrendszerek választják szét a folyékony és a gőzfázist, és a gőzből az eltérő forráspontú frakciókat különböző helyeken kivezetik a toronyból. Hangsúlyozni kell, hogy ezek a párlatok nem késztermékek, további feldolgozásuk szükséges ahhoz, hogy az előírásokat kielégítő termékeket nyerjenek. Ennek során kivonják a nemkívánatos szennyezőanyagokat, módosítják a molekulaszerkezeteket, adalékokkal javítják a tulajdonságokat stb.

A 300°C-nál magasabb forráspontú termékek desztillációját a nyomás csökkentésével lehet kisebb hőmérsékleten elérni, ami azért fontos, mert így nem következik be a molekulák hőbomlása. A kisnyomású 25−75mbaron végzett vákuumdesztilláció kiinduló anyaga a pakura, amiből gázolajat és 350°C-nál magasabb forráspontú kenőolajpárlatokat nyernek, a desztillációs maradék pedig a bitumen, illetve kevésbé erélyes lepárlásnál a bitumen és paraffinos kenőolajok keverékéből álló gudron.

A fehéráru-kihozatal növelését szolgálják a destruktív eljárások, más néven a krakkolás. Ezeket az eljárásokat szemlélteti az 1.4.4.2.ábra. Ennek az az alapja, hogy bizonyos körülmények között a nagyobb molekulák kisebbekre bomlanak, miközben gáz és koksz keletkezik. Sokféle eljárást használnak, a legrégebbi a termikus krakkolás, ami azonban ma már háttérbe szorul. Itt azt aknázzák ki, hogy 400−600°C és 10−70bar mellett bekövetkezik a lebomlás, a feldolgozott pakurából olefinben gazdag gázok, mintegy 20% krakkbenzin és krakkfűtőolaj vagy petrolkoksz keletkezik. A lebomlást katalizátorokkal (ma a zeolitalapúak a legfontosabbak) is elő lehet idézni. A katalitikus krakkolás alacsonyabb hőmérsékleten történik, kiinduló anyaga többnyire gázolaj vagy a magas hőmérsékletű vákuumpárlatok. Ebből gázok, mintegy 40%-nyi benzin és gyenge gázolaj keletkezik, a legnehezebb terméket pedig visszacirkuláltatják. Ahidrokrakkolásnál hidrogénnyomás alatt bontják a molekulákat, a maradványokból vagy párlatokból benzint, gázolajat és tüzelőolajat nyernek, egyben nagyon jó kénmentesítés is történik. A hidrokrakkolás szelektívebb és jobb minőségű középterméket szolgáltat. Akőolaj-feldolgozás mértékét számos országban már korábban is a benzinigény szabta meg. Ennek biztosítására fejlődött fel a két világháború között a krakkolás az Egyesült Államok kőolaj-feldolgozó kapacitásának jelentős hányadára. A krakkolás beiktatásával ugyanabból a kőolajból 2−3-szor annyi benzint nyernek, mint ha csak frakcionálnak. A második világháború után Európában is megindult, majd az olajár emelkedése után széles körűvé vált a destruktív eljárások bevezetése. A fizetési mérleget javítja, az ellátás biztonságát pedig fokozza, ha a benzin- és gázolajtermelés növeléséhez nem kell fokozni a kőolajimportot. Ennek egyrészt beruházási költség az ellentétele, másrészt a korábban eltüzelt frakciókat más energiahordozóval kell helyettesíteni.

1.4.4.2. ábra

Fosszilis energiahordozók IV.: Földgáz

Kitűnő tüzeléstechnikai tulajdonságai és homogén összetétele miatt a földgáz a legnemesebb primer energiahordozó. A földkéregben található gázelőfordulások összetétele nagyon változatos. Energetikai szempontból földgáznak a túlnyomóan szénhidrogén-tartalmú gázokat tekintik. A domináló komponens azonban lehet szén-dioxid, nitrogén, kénhidrogén is; ha nagy mennyiségű ilyen nem éghető gázzal elegyedve fordul elő a szénhidrogén, a gáz fűtőértéke kicsi. Az ilyen gázokra indokolt az alacsony fűtőértékű földgáz vagy gyenge minőségű földgáz megnevezés. Energetikai hasznosításuknak alárendelt jelentősége van, szállításuk nagyobb távolságra nem gazdaságos. Ilyen megkülönböztető jelző nélkül a továbbiakban a földgáz alatt olyan gázokat értünk, amik túlnyomóan a metántól (CH4, rövidítése C1) a pentánig (C5 H10, rövidítése C5) terjedő egyszerű paraffinokból állnak.

Megoszlanak a vélemények arról, hogy a szapropélből a földgáz a kőolajéhoz hasonló körülmények között, de attól függetlenül keletkezett-e, vagy pedig a kőolaj lebomlásából származik-e. A kétféle szénhidrogén előfordulási körülményei azonosak, a földgázleleteknek mintegy harmada kőolajjal együtt található, a többi attól függetlenül, de a kőolajéhoz hasonló geológiai formációkban.

1.4.5.1. ábra

A feldolgozás (1.4.5.1.ábra) szempontjából száraz és nedves földgázt különböztetnek meg. Aszáraz gáz alig tartalmaz olyan komponenseket, amik szobahőmérsékleten nyomással cseppfolyósíthatók. Alapvetően metánból (80−99%) és etánból (1−15%) áll, a C3−C5 komponensek mennyisége minimális. A kőolajat kísérő nedves gáz legnagyobbrészt az olajban oldva kerül a felszínre és abból a nyomás csökkentésével lehet kiléptetni. A nedves gáz (dús gáz) metánon kívül nemcsak számottevő mennyiségű etánt (C2), propánt (C3) és butánt (C4) tartalmaz, amik légköri viszonyok között gázneműek, hanem olyan szénhidrogének is előfordulnak benne, amelyeklégköri viszonyok között cseppfolyósak, így pentán (C5), hexán (C6), heptán (C7) stb. A kőolajból elpárolgott gőzök koncentrációja 300g/m3-t is elérhet. Anedves gázban a metán részaránya 30−40% alá is csökkenhet, közel ennyi lehet az etán mennyisége is, a propán elérheti a 20−25%-ot, és még a C4-es és C5-ös frakciók is kitehetnek néhány százalékot.

Egyes területeken a kőolaj kísérőgázát visszanyomják a kőolajmezőbe a rétegnyomás növelésére (másodlagos kőolajtermelés). A fogyasztóktól távoli kőolajmezőkön –elszállítási lehetőségek híján– a gázt gyakran elégetik (fáklyázás); ma már ez a pazarló gyakorlat jelentősen visszaszorult.

A teljes körű hasznosítás érdekében a nedves gázt gazolintelepeken fizikai eljárásokkal száraz gázra és nyers gazolinra választják szét, kihasználva, hogy a komponensek fizikai jellemzői a molekulasúlytól függenek. Soványabb gázoknál a gazolint aktív szenes vagy szilikogéles adszorpcióval kötik le, mivel a nagyobb molekulasúlyú komponensek hajlama az adszorpcióra nagyobb. Használatos a nyomás alatti kioldás is egy petróleumfrakcióval, mert a magasabb forráspontú összetevők jobban abszorbeálódnak. A szétválasztás a hőmérséklet csökkenése mellett eszközölt kompresszióval ugyancsak megoldható, így a C3-as és ennél több szénatomot tartalmazó molekulák folyékony halmazállapotba kerülnek. Szokásos továbbá e módszerek kombinációja, ami a hazai gyakorlatra is jellemző. A nyers gazolint nyomás alatt desztillálják, egyrészt cseppfolyósított propán-bután gázt (PB-gáz); másrészt 35−100°C közötti forráspontú komponensekből álló stabilizált gazolint nyernek. A gazolint többnyire benzinekhez adalékolják, de más célú alkalmazása is előfordul (még önálló motorhajtóanyagként is). A PB-gázt nyomás alatt, palackokban hozzák forgalomba, vezetékes gázzal el nem látott területeken kitűnő tüzelőanyag. Elsősorban kommunális célokra, fűtésre, melegvíz-készítésre, főzésre használják, újabban gépkocsik motorhajtóanyagaként is alkalmazzák. Nevezik cseppfolyósított olajkísérő-gáznak (LPG=liquid petroleum gas) is. A PB-gáz forgalma nem nagy, mintegy 20Mt kerül évente a világkereskedelembe, nagyrészt a Közel-Keletről. Megjegyzendő, hogy PB-gázt a kőolaj-finomítás melléktermékeként is nyernek. A magyar szabvány a C2− C5 frakciók elegyét tekinti PB-gáznak.

A földgázban levő éghetetlen gázkomponensek –nitrogén, szén-dioxid, kénhidrogén, hélium– néha még ipari nyersanyagként is gazdaságosan kinyerhetők, de tüzeléstechnikai szempontból ezek nemkívánatos alkotók. A magyarországi földgázokban főleg szén-dioxid fordul elő, a 10%-nál kisebb CO2-tartalmú gázokat szénhidrogéngázoknak tekintik; az alacsonyabb fűtőértékű szén-dioxidos kevertgázoknál a CO2-tartalom 75g alatt van (többnyire 33−75% között). Ezek erőművi tüzelőanyagként történő hasznosítására vannak már elképzelések. A 75%-nál több CO2-t tartalmazó gázokat elsősorban szénsav gyártására hasznosítjuk (pl. Répcelak). A földgázban találhatók a környező kőzetekből elragadott, lebegő szilárd részecskék is, valamint vízgőz. A víz a gáz halmazállapotú szénhidrogénekkel szilárd, kristályos hidrátok képzésére hajlamos.

A világ feltárt földgázvagyona (2011. évi adat) 187Tm3, a kitermelhető potenciális készletet 300−600Tm3-re becsülik. Regionális eloszlása valamivel egyenletesebb, mint a kőolajé. Alegnagyobb földgázvagyon a volt Szovjetunió egyes utódállamaiban, az Egyesült Államokban, Iránban, Algériában, Hollandiában van, az utóbbi időben jelentős készleteket találtak a tengerek alatt (pl. Északi-tenger) és a sarkkörön túli területeken (Alaszka, Kanada, Jakutföld).

Az ismert hazai földgázkészletek (2011. évi adat) 8,1Gm3 körül mozognak. Kisebb előfordulások hasznosítására már a század elején sor került, a gazdagabb mezők feltárása azonban csak 1960 után vett nagyobb lendületet. A túlnyomórészt pliocénkori homokkőrétegekben levő előfordulások közül a legjelentősebbek Algyő, Hajdúszoboszló, Pusztaföldvár és Szank térségében találhatók, metántartalmuk 89−96%. Ennek ellenére a hazai termelés nem elegendő az igények még részleges kielégítésére sem, így jelentős mennyiségű importra szorulunk, ennek aránya meghaladja a 85%-ot (2011-ben) és egyre növekszik.

A földgáz nagyobb arányú hasznosítása az 1920-as években vette kezdetét, amikor a csőgyártás fejlődése megnyitotta az utat a nagy távolságú szállítás előtt. Azóta rohamosan tért hódított a földgázzal rendelkező régiókban. A szállítási technika fejlődésével párhuzamosan kiterjedt az eltátható területek határa, és ma már a távolság e tekintetben nem jelent korlátot. Ezt tanúsítja a szibériai gáz szállítása Nyugat-Európába. Földgázzal elégítik ki jelenleg a világ primer energiaigényének ~20%-át (1.4.5.2.ábra); az éves termelés kb. 2,2Tm3 és a következő években gyorsan tovább fog nőni. A második világháború óta a földgáz termelése gyorsabban nőtt, mint a kőolajé.

1.4.5.2. ábra Forrás: Key World Energy Statistics 2011.

Ennek alapján sokan azt prognosztizálják, hogy a földgáz részben átveszi az olaj szerepét, ill. egyes területeken (pl. villamosenergia-termelés) már átvette.

Földgázt többnyire a kőolajkutatás során találnak, a kifejezetten földgázra irányuló geológiai kutatás ritka. A földgázt vagy a kőolajjal együtt termelik (a termelésnek mintegy 15%-a), vagy hasonló kútrendszerben; néha 100bart is elérő saját nyomása hajtja a felszínre a száraz gázt. A legmélyebb termelőkút 7,5km-es, de terveznek ennél mélyebbet is. Száraz kutakból a gáz 60−80%-át saját nyomása a felszínre hajtja, vízelárasztással a kitermelési együttható 0,85−0,95-re növelhető. Újabban a gáztermelés fokozására forszírozott módszereket is kezdenek bevezetni, a rétegek hidraulikus repesztését, a szerkezet fellazítását kémiai robbantással (rendszerint folyékony robbanóanyaggal), ami többnyire a mélyben levő kis áteresztőképességű szerkezet fellazítását, áttörését célozza. Ilyen célra sikeresen alkalmaztak nukleáris robbantást is (több kilométer mélyen 40kt töltettel; a kihozatal többszörösére nőtt), de a kísérleteket beszüntették.

A kitermelt földgázt a szállításra elő kell készíteni, ami a mezők közelében telepített földgázüzemekben történik. A gázhoz keveredett folyadékokat szeparátorokban választják el. Le kell választani a szilárd szennyező anyagokat is, nehogy azok dugulást okozzanak vagy koptassák a vezetékeket. E célra gyakran elektrosztatikus leválasztókat használnak. Ezután a gazolinüzemben a különféleképpen hasznosítható frakciók szétválasztása következik. Ez a szállíthatóság érdekében is fontos, ugyanis a propán és bután forráspontja, ami légköri nyomáson −40°C körül van, a nyomás növekedésével emelkedik, a szállítás nagy nyomásán e komponensek kondenzálódnak, súlyosan veszélyeztetve a kompresszorok üzemét. Ugyancsak el kell távolítani a vízgőzt is, ellenkező esetben az említett hidrátok a csővezetékekben és a szelepekben válhatnak ki; ez szárítással vagy hűtéssel oldható meg, vagy abszorbenssel kell lekötni a nedvességet.

A megtisztított földgázt az esetek túlnyomó többségében csővezetékekben szállítják el. Aföldgáznak nagyon nagy előnye, hogy a forrástól a fogyasztás helyéig csővezetéken szállítható. Az energiaellátásnak ez a kevés emberi munkát igénylő módja nemcsak kényelmes, hanem termelékeny is. A forrásokat a fogyasztói csomópontokkal összekötő vezetékekből idővel hurkolt hálózatot alakítottak ki. A gerincvezetékekből kiinduló leágazó vezetékek szolgálják ki a nagyfogyasztókat és a településeket, amelyeken belül az elosztóvezetékek juttatják el a gázt az egyes fogyasztóberendezésekig. A gerincvezetékek nyomása néhányszor 10bar, az elosztóvezetékeké az átadó és fogadó állomások között ennél lényegesen kisebb (6bar körüli). A háztartási fogyasztóberendezések táplálása 1,08bar körüli nyomáson történik.

Új utat nyitott a tengeri szállítás előtt a földgáz cseppfolyósítási technikájának kifejlesztése. A metán forrpontja légköri nyomáson −161°C, ezen a hőmérsékleten a folyadék térfogata 800-ad része a 20°C hőmérsékletű gáznak. A cseppfolyósított földgáz (LNG=liquefid natural gas) tengeri szállításához mind a feladó, mind a fogadó állomáson megfelelő berendezéseket kell kiépíteni.

A napi ingadozások kiegyenlítésére, üzemzavari tartalékok biztosítása érdekében a földgázból is megfelelő készleteket kell tárolni. Erre a célra nagynyomású tartályok szolgálnak. Gömb alakú tartályokban 30−50m3, sorba kapcsolt hengeres tartályokban 100000m3 gáz tárolására van lehetőség. Néhány órás tartalékot maga a kiterjedt csőhálózat is biztosít, részben az abban lévő gázmennyiség, részben a nyomás kiegyenlítődése révén. Szezonális kiegyenlítésre a legjobb megoldást a földalatti gáztárolás jelenti, ami nagy gázmennyiségek felhalmozását teszi lehetővé (1.4.5.3.ábra). E célra olyan természetes vagy mesterségesen kialakított föld alatti térségek jöhetnek számításba, amit gázzáró rétegek határolnak. A legkézenfekvőbb kimerült szénhidrogénmezőket hasznosítani, hiszen azokról biztosan tudjuk, hogy képesek a gáz megtartására.

1.4.5.3. ábra Forrás: Bódi T.: Földalatti gáztárolás, gáztermelés. Miskolci Egyetem, Kőolaj és Földgáz Intézet, Olajmérnöki Tanszék, 2004

Nukleáris energia

Az energetikának ez a legfiatalabb ága a tudomány műhelyeiben született meg. Az atommagokat alkotó nukleonok kötési energiájának felszabadítására és hasznosítására vezető tudományos ismeretek csupán néhány évtizedes múltra tekintenek vissza. Nem különös tehát, hogy alkalmazásának még jó néhány vonatkozása, és különösen, e technika továbbfejlesztése intenzív kutatás tárgya. Bár a nukleáris energia hasznosításában már nagy gyakorlatunk van, ismereteink még sok tekintetben hézagosak, ami sok bizonytalanság forrása is. Az új felismerések állandóan bővülő köre egyre újabb impulzusokat ad e meglehetősen bonyolult technika továbbfejlesztéséhez. Az atommag kötési energiájának (1.4.6.1.ábra) egy része magreakciók során szabadul fel.

1.4.6.1. ábra

A természetben előfordulnak spontán magreakciók, de a magreakciók bizonyos típusait mesterségesen is elő lehet idézni. A spontán magreakciók leggyakrabban előforduló válfaja a radioizotópok bomlása, ennek előidézésében nincs szükség semmilyen külső okra, a bomlás a mag energiaállapotától függő spontán folyamat. A radioaktív bomlásnak energetikai szempontból csupán alárendelt jelentősége van, mert a felszabaduló energia kicsi. Ilyen alapon működő áramforrásokat speciális területeken a gyakorlatban is alkalmaznak. A felhasznált radioizotópok többnyire nem természetes eredetűek, hanem atomreaktorokban vagy részecskegyorsítókban előállított mesterséges termékek. A nukleáris áramforrások egyik csoportja lényegében sztatikus generátor. Az a- és b-sugárzó izotópokból a villamos töltéssel rendelkező a- és b-részecskék kilépése tulajdonképpen töltéshordozók szétválasztását jelenti, ami a villamos áramforrások működésének alapja. A többnyire b-sugárzó radioizotópot az egyik elektródon elhelyezve és a kilépő elektronokat a másikon összegyűjtve, néhány mW teljesítményű, állandó feszültséget szolgáltató áramforrás alakítható ki. Olyan áramforrást is lehet készíteni, aminek katódja a ráeső a-, b- vagy g-sugárzás hatására emittál elektronokat. Nagyobb teljesítmény nyerhető a radioaktív bomlás hőjéből. Ilyenkor a sugárzást –beleértve a g-sugárzást is– megfelelő anyagokban lefékezik, az így fejlődő hőből termovillamos vagy termoionos átalakítással villamos áramot állítanak elő. Az alkalmazott izotóp 1−10W teljesítményre többnyire 90Sr, 10−100W esetén 238Pu. Az izotópos áramforrások teljesítménye nem éri el a kW nagyságrendet, a kapocsfeszültség pedig mV és V között mozog. Legfőbb előnyük, hogy nagy felezési idejű izotóppal sokéves felügyeletmentes üzem érhető el. Elsősorban nehezen megközelíthető, kihelyezett, kezeletlen berendezésekben (meteorológiai, tengeri vagy űrbeli megfigyelő készülékek vagy jelzőberendezések), vagy zárt rendszerekben (pl. pacemaker) használható áramforrások. Nem valószínű, hogy alkalmazási körük jelentősen kiszélesedne a közeljövőben, amit nemcsak az elérhető kis teljesítmény és a magas előállítási költség korlátoz, hanem az is, hogy nagy tömegben a környezetet veszélyeztető radioaktív szennyeződést okozhatnak. Mindez arra utal, hogy az izotópos áramforrások a távolabbi jövőben sem fognak számottevő szerepet játszani az energiamérlegben.

A nukleáris energia nagyarányú hasznosításához a mesterségesen előidézett magreakciók bizonyos típusai adják meg a lehetőséget. Két útja van annak, hogy a nukleonokra jutó kötési energia egy része felszabaduljon. Az egyik a fisszió, vagyis a nehéz elemek széthasítása közepes rendszámúakra, a másik a fúzió, ami a könnyű elemek egyesítését jelenti nehezebb atomban. A felszabaduló energia a reakcióban részt vevő tömegnek kb. 1%-a fuziónál, ez az arány majdnem egy nagyságrenddel kisebb a fisszió esetében. Egy 235U-ös atommag hasadása mintegy 195MeV energia felszabadulásával jár, ami nukleononként 0,83MeV, a deutérium és trícium fúziója héliummá 17,6MeV-ot eredményez, vagyis nukleononként 3,5MeV-ot. Anagy mennyiségű energia felszabadításához e reakciók önfenntartó sorozatát (láncreakció) kell kialakítani. A láncreakció szabályozatlan formája a nukleáris robbanás, a stabil, tartós teljesítményt szabályozott láncreakcióval lehet biztosítani. Az előbb említett 195MeV megfelel 0,3pJ-nak, ennek alapján 1g 235U izotóp „elégetése” 80GJ-t eredményez, ami az atomenergetikában gyakran használt mértékegységben közelítőleg 1MW/nap.

Nukleáris robbanás fúzió és fisszió útján egyaránt létrehozható. Többször javasolták a nukleáris robbantás alkalmazását mélyépítési és bányászati célokra. E lehetőséget szórványosan a gyakorlatban is kipróbálták hatalmas árkok, kráterek, föld alatti üregek létesítésére, szénhidrogénmezők termelésének fokozására és hasonló célokra. Bár a robbantással helyettesíthető munkák volumenére kapott eredmények meghökkentők, és a környezetet veszélyeztető hatások uralhatók, mégis valószínűtlen e technika terjedése. Nehezen különíthetők el ugyanis a katonai vonatkozások, mert e robbantások a nukleáris fegyverek fejlesztésére is felhasználhatók. Ma már nemcsak a közvélemény nyomása és a külpolitikai visszhang, hanem a kísérleti atomrobbantások betiltására vonatkozó nemzetközi egyezmények is fékezőleg hatnak az ilyen robbantásokra.

1.4.6.2. ábra

Folyamatos energiafejlesztést szolgáló szabályozott reakciót egyelőre csak fisszió (1.4.6.2.ábra) segítségével tudnak megvalósítani. Atomhasadás kis mennyiségben és ritkán önmagától is előfordul, többnyire azonban az váltja ki, hogy megfelelő energiájú részecskék ütköznek a hasadásra hajlamos atommal. E részecskék között megkülönböztetett szerepe van a neutronoknak. A neutronokat sebességük szerint osztályozzák, a kategóriákat a kinetikus energiával jellemzik, a nukleáris reakcióknál a termikus (0,025eV-nál kisebb energiájú) és a gyors (100keV-nál nagyobb energiájú) neutronok szerepe a legnagyobb. A legjelentősebb neutronforrás maga a fisszió, a hasadás nagy energiájú gyors neutronok kibocsátásával jár együtt. Ha a folyamathoz lassú neutronokra van szükség, akkor lelassításukról a moderátornak nevezett fékező anyagokkal kell gondoskodni. Az, hogy egy hasadóképes atommal ütköző neutron kivált-e fissziót, nagyon erősen függ a neutron sebességétől; a magreakció bekövetkezésének valószínűsége a neutronok sebességének függvényében erős szélső értékeket mutat a hasadóanyag típusától függő sebességtartományban. Attól függően, hogy a nukleáris reakciókban a termikus vagy a gyors neutronok játsszák a főszerepet, termikus és gyors reaktortípusokat különböztetnek meg.

Mai ismereteink szerint négy izotóp hajlamos főleg termikus neutronokkal ütközve hasadásra: a 233-as és 235-ös atomsúlyú urán-, valamint a 239-es és 241-es plutóniumatom; gyakorlati jelentősége csak az első háromnak van. Az említett négy izotóp képezi a szorosan vett hasadóanyagok körét. Ezeken kívül három izotóp van, ami főleg 1 MeV-nál nagyobb energiájú gyors neutronok hatására neutronbefogással hasadóanyaggá válik, ezek a tenyészanyagok a 238-as urán, a 232-es tórium és a 240-es plutónium; közülük csak az első kettőnek van gyakorlati jelentősége. A tenyésztés során az 238U-ból 239Pu, a 232Th-ból 233U és a 240Pu-ból 241Pu keletkezik. Az említett izotópok közül a természetben csak az 235U, 238U és a 232Th fordul elő, a többit mesterségesen állítják elő. Miután a szorosan vett hasadóanyagok közül a természetben csak az urán 235-ös izotópja található meg, ennek az izotópnak kitüntetett szerepe van, jelenléte mindenféle fissziós reakció megindításához elengedhetetlen.

Annak valószínűsége, hogy egy termikus neutron egy 235U-maggal ütközve neutronbefogás után fissziót indít meg, 0,84. A hasadás során az uránatom két közepes atomsúlyú, nagy sebességgel mozgó töredékatomra esik szét. A felszabaduló energiának mintegy 83%-át e töredékatomok szállítják el kinetikus energia formájában. A töredékek a környezetükkel ütközve lefékeződnek, energiájuk hővé alakul. A felszabaduló energia fennmaradó hányadát a hasadásnál mindig kilépő 2−3, nagy energiájú gyors neutron, nagy energiájú g-sugárzás és egyéb részecskék (b-részecske, neutrinó) szállítják el. A hasadás energiamérlegét a 1.4.6.3. táblázat mutatja.

1.4.6.3. ábra

Ha a kilépő neutronok lelassulva újabb 235U-atommal találkoznak, további hasadást indíthatnak meg. Ha minden hasadás legalább egy újabb hasadást idéz elő, láncreakció indul meg, a folyamat önfenntartóvá válik. Az, hogy a hasadásnál kettőnél több neutron lép ki, növeli az újabb fisszió valószínűségét. Ellene hat viszont, hogy egyrészt nem minden ütközés vezet hasadásra az egynél kisebb valószínűség miatt, másrészt a neutronok egy része elvész, mert vagy hasadásra képtelen atomok fogják be, vagy ütközés nélkül kilép a környezetbe. Ahhoz, hogy a láncreakció biztosan bekövetkezzék, egy minimális mennyiségnél több hasadóanyag jelenlétét kell biztosítani; e kritikus tömeg alatt a folyamat nem válik önfenntartóvá. A kritikus tömeg nagysága függ a geometriai elrendezéstől, a hasadóanyag koncentrációjától és a jelenlevő egyéb szerkezeti anyagoktól. E kérdéseknek meghatározó jelentőségük van az atomenergiát hasznosító reaktorok tervezésében. A láncreakció akkor szolgáltat állandó teljesítményt, amikor a neutronok két egymást követő időpillanatban mért számának arányát kifejező sokszorozási tényező értéke 1. A reaktoroknál ezt a helyzetet nevezik kritikus állapotnak, ami a stabil stacioner üzem jellemzője. Az energetikai reaktorok stabil üzemét a teljes terhelés és az üresjárat között minden teljesítményszinten lehetővé kell tenni. Ennek érdekében az áramló neutronok sűrűségét, a neutronfluxust szabályozzák, többnyire a reaktortérbe juttatott neutronelnyelő anyagok mennyiségével. Teljesítménycsökkentés közben a sokszorozási tényező egynél kisebb, a reaktor szubkritikus, teljesítménynövelés során a tényező egynél nagyobb, a reaktor szuperkritikus. A hirtelen teljesítménynövekedés a reaktor megszaladását eredményezné, ez ellen egyrészt a reakciót fékező automatikus beavatkozó szervek védenek, másrészt egyes reaktortípusok fizikai tulajdonságai, például a reaktivitás negatív hőfokfüggése a vizes reaktoroknál. Ezeknél a hasadás hatáskeresztmetszete a hőmérséklet növekedésével csökken; amikor szuperkritikus állapotban a teljesítménynövekedés hatására nő a reaktor hőmérséklete, a sokszorozási tényező csökken. Ez a hatás a termikus reaktoroknál eleve kizárja, hogy a megszaladás nukleáris robbanáshoz vezessen. Természetesen a helytelen üzemvitel azért okozhat rendkívül súlyos, más típusú üzemzavarokat, például a hűtés megszakadása a reaktormag összeolvadását.

A hasadóanyag-bázis bővítésére sokat ígérő lehetőséget nyújtanak a tenyészanyagok, amik a természetben sokkal nagyobb bőségben fordulnak elő, mint a hasadóanyagok. Ha a reaktorban vannak tenyészanyagok, a keletkező gyors neutronok hatására bizonyos mértékű tenyésztés mindenképp bekövetkezik.

A ma használatos termikus reaktorok üzemanyagában mindig van nagy mennyiségű 238U-izotóp, aminek egy részéből plutónium képződik. (A nyomottvizes reaktorokban 1kg uránban átlagosan 7−9g plutónium keletkezik.) A termikus reaktorok fűtőelemeiben jelentős mennyiségű plutónium képződik, de ennek csak egy hányada járul hozzá az energiatermeléshez, nagy része a kiégett fűtőelemben marad.

Az eredeti elképzelés az volt, hogy ezt a plutóniumot összegyűjtik a később megépülő gyorsreaktorok hasadóanyag-ellátásához. Miután azonban e reaktorok fejlesztése elhúzódott, több országban erőteljes kutató-fejlesztő munka indult annak érdekében, hogy a plutóniumot a termikus reaktorokban is hasznosítani lehessen. Ezt hátráltatja, hogy a plutónium az atomfegyverek legfőbb anyaga, mert erős hasadási hajlama miatt már néhány (kb. 5) kilogrammos mennyisége biztosítja a kritikus tömeget. Ennek következtében egyrészt a plutónium-gazdálkodásnak vannak katonai vonatkozásai is, másrészt a plutónium felhasználásához fokozottabb biztonsági és védelmi követelmények kapcsolódnak.

Az, hogy a fissziónál kettőnél több neutron lép ki az atomból, módot ad arra, hogy az energiatermelést szolgáló hasadással párhuzamosan, egyidejűleg tenyésztés is folyjon. A szaporítás hatékonyságát reaktorfizikai szemszögből a szaporítási tényezővel (konverziós együtthatóval) jellemzik. Ez a reaktorban tenyésztett és kiégetett hasadóanyag aránya, ami lényegében megegyezik a folyamatok szempontjából hatásos neutronok egymást követő generációinak arányával. A szokásos termikus reaktorok jóval kevesebb hasadóanyagot termelnek, mint amennyit felhasználnak. Ezeket az egynél kisebb konverziós tényezővel jellemezhető reaktorokat konverterreaktoroknak is nevezik, közös jellemzőjük, hogy a termelt és a felhasznált hasadóanyag domináns része nem azonos elem. (Ha nincs tenyésztés, kiégetőreaktornak nevezik, példája a tengeralattjárók nyomottvizes reaktora erősen dúsított, majdnem tiszta 235U-üzemanyaggal.)

A jelenlegi konverterreaktorok teljesítményének nagy részét az 235U-izotóp biztosítja, a többit a tenyésztett hasadóanyagok. Ki lehet azonban alakítani olyan rendszereket is, amelyek több hasadóanyagot állítanak elő a tenyészanyagokból, mint amennyi üzemeltetésükhöz szükséges, ezek a szaporítóreaktorok, más néven breederek. A szaporítóreaktorok konverziós tényezője egynél nagyobb, amihez olyan neutronháztartást kell kialakítani, hogy elegendő számú gyors neutron érje a tenyészanyagokat. A szaporító reaktorokat leggazdaságosabban úgy lehet kialakítani, hogy a termelt hasadóanyag egyben a reaktor fő üzemanyaga is, így a reaktor az energiafejlesztés mellett saját jövőbeli üzemanyagát is előállítja. Az 238239Pu-cikluson alapuló gyorsneutronos rendszerek megvalósíthatóságát már több demonstrációs erőmű igazolja. A 232Th®233U-ciklust hasznosító termikus rendszerek még nincsenek ilyen előrehaladott stádiumban, de ösztönzi a fejlesztést, hogy az energiatermelés lényegesen könnyebben szabályozható termikus neutronokkal történik, mivel az urán hasadási keresztmetszete a lassú neutronokkal szemben nagy. A szaporítás mértékét nemcsak az előállított és elhasznált hasadóanyag arányával jellemzik. Az energetika számára többet mond a kettőzési idő, ami annyi hasadóanyag előállításához szükséges a tenyésztés révén, amennyi a reaktor töltete. A kettőzési idő a tárolás és a reprocesszálás időigényét is magában foglalja, így függ a fűtőanyagciklus technológiájától is. A ma üzemben levő szaporítóreaktoroknál a kétszerezési idő kb. 20 év; a jövőben ezt 5−10 évre kívánják leszorítani.

A nukleáris energia termelése alapvetően az uránra épül. Az urán a Föld felszínén nagy mennyiségben fordul elő, de sajnos a leginkább szétszórt elemek közé tartozik: átlagos koncentrációja a földkéregben 2,4g/t. Az uránizotópok tömegszáma 227 és 240 közötti érték lehet, de a természetben található urán mindig a 238U-, 235U- és a 234U-izotóp rögzített arányú keveréke. Az urán-előfordulások jellege nagyon változatos, az uránásványok száma 100 körül mozog.

Az uránérctelepek egy része magmatikus differenciálódás útján dúsult fel, a magma megszilárdulása közben az átlagosnál nagyobb uránkoncentráció savanyú kőzetekben, főleg gránitokban alakult ki. A kőzetképződés során az urán az ércképző elemekkel és más, illékony alkotókkal a maradék olvadékban dúsult, és főleg a hidrotermikus járatokban ülepedett le (koncentrációja több százalékot is elérhet). Üledékes dúsulás is előfordul (a hazai urán-előfordulás is üledékes kőzetekben található), az urántartalmú kőzetek eróziója során az urán vizes oldatba lépett és az anyakőzetből eltávozott. A vizes oldatból kicsapódva azután konglomerátumokban, görgeteges kőzetekben másodlagosan feldúsult. Különösen kedvező feltételei voltak e másodlagos dúsulásnak a fluviális eredetű homokkőrétegekből álló medencékben. Előszeretettel válik ki az urán redukálókőzetekben, szerves anyagok vagy pirit redukáló hatására. Így néhány tized százalékos koncentrációjú lencsék és telérek képződtek. Jelenleg elsősorban a gránitokban, homokkövekben, konglomerátumokban feldúsult ércelőfordulásokat aknázzák ki. Az eróziónál kioldott és vizes oldatban maradó urán végső soron a tengerbe jut, valószínűleg így jött létre a tengerek átlagos

uránkoncentrációja.

A bányászásra érdemes uránérctelepek kutatása az egyéb érctelepekéhez hasonlóan történik. A geofizikai vizsgálatok lehetőségét bővíti a hasadóanyagok spontán bomlása okozta radioaktív sugárzás. Ez légi és szárazföldi járművekről érzékelhető, ami megkönnyíti a reményteljes területek kiválasztását. A g-sugárzás szelektív mérése lehetővé teszi az uránércek elhatárolását az ugyancsak sugárzó tórium- és káliumércektől. Gázáteresztő fedőkőzet esetén hasznos útmutatást ad a spontán bomlásnál keletkező radon mérése is. A geokémiai módszerek lehetőségei is számottevőek, mivel az urán hajlamos a vegyületképződésre és oldatba lépésre. Természetesen az urántelepek pontosabb behatárolásához ugyanúgy mélyfúrások szükségesek, mint az egyéb ásványoknál.

A bányászat (1.4.6.4.ábra) a nagy U3O8-koncentrációjú ércekkel indult meg (a kongói uránszurokérc-telepekben elérte a 60%-ot), a műrevaló nagy telepek koncentrációja ma átlagosan 0,3−0,1% közötti, de kiaknáznak olyan 0,03%-os telepet is, amelynek előnyösek a gazdasági adottságai. Az uránigények növekedése miatt vizsgálják a 0,1%-nál kisebb koncentrációjú telepek művelésének gazdaságosságát is. Elsősorban kísérőércként való kinyerésében látnak fantáziát, főként az arany- és rézércekből, az olajpalákból, a műtrágyagyártáshoz termelt foszfátércekből, egyes szenek égéstermékeiből, amit elvétve már folytatnak is (pl. a dél-afrikai aranybányákban), de gránitok és más kőzetek is szóba jöhetnek.

A műrevaló uránvagyont azonban nem a koncentráció, hanem a kitermelési költsége alapján osztályozzák, amit a világpiacon az U3O8 urán-oxid 1fontjának dollárban mért költségével jellemeznek. A világ uránvagyonáról publikált adatok meglehetősen bizonytalanok, az információk közzétételét nemcsak üzletpolitikai érdekek, hanem stratégiai szempontok is befolyásolják. Az ENSZ Nemzetközi Atomenergia Ügynökségének (NAÜ) felmérése szerint a világ készletei a 26$/kgU-nál alacsonyabb határköltségű kategóriákban kereken 1Mt megkutatott és 1,8Mt potenciális mennyiség. A 39$/kgU-nál olcsóbb megkutatott vagyon 2Mt, és a potenciális készlet 4Mt, a 78$/kgU-nál kisebb határköltségű potenciális készlet 6Mt, a 130$/kgU alatti kategóriába sorolható vagyont 15−20Mt-ra becsülik. Csupán elméleti jelentősége van annak, hogy a 200$/kgU-nál olcsóbb urán előfordulásai –amibe már a tengervízből kinyerhető uránsók is beletartoznak– több milliárd tonnára rúgnak. Az urán kiválasztható a tengervízből is, a kitermelés költsége ebben az esetben a hagyományos uránérc bányászaténak 4−5-szöröse. Nem tartják lehetetlennek az eljárás nagyüzemi bevezetését az önellátás biztosítására. A készletekre vonatkozó információhoz az is hozzátartozik, hogy a NAÜ becslései szerint az uránt a Föld felszínének csupán 8%-án kutatták fel.

Sokat vitatott kérdés, hogy a jövő energiaigényeinek kielégítésében mennyire lehet a hasadóanyagokra támaszkodni. Az aggályok alapja az, hogy energiatermelésre egyelőre csak az uránnak a természetben 0,7%-os arányban található 235-ös izotópját hasznosítjuk. (Ezt is meglehetősen rossz, mintegy 30%-os hatásfokkal használjuk ki villamosenergia-fejlesztésre, vagyis a felhasználható energia a kibányászott urán egyenértékének kb. 0,2%-a.) Ha csak az 235U-izotóp jelenlegi hasznosítási technikáját vesszük figyelembe, a potenciális uránkészlet még a kőolajvagyon energiaértékét sem éri el. Ilyen gazdálkodás mellett az olcsó uránvagyon gyors kiapadása nem irreális feltételezés. Mivel 1GW villamos teljesítményű konverterreaktor 30 éves élettartama alatt 3−5kt természetes uránt hasznosít, a világ atomerőművi kapacitása legalább 700kt fémuránt fog igényelni a közeljövőben ezen erőművek élettartama alatt, ami megfelel 910kt urán-oxidnak. Ez a mennyiség a felkutatott, 26$/kgU-nál olcsóbb készlet nagy részét leköti, a később üzembe kerülő újabb atomerőművek pedig nemcsak az olcsóbb ércek fennmaradó hányadát, hanem a 26−39$/kgU-költségű uránkincs jelentős részét is felemésztik. Ebből sokan vonják le azt a következtetést, hogy az atomhasadás nem jelent perspektív megoldást az energiaellátásban.

Nukleáris energiahordozók hasznosítása

Megfelelő elemi kölcsönhatásokkal minden elem atommagjaiban előidézhetők a kötési energia változásával járó magreakciók. Az energetika számára azon magreakciók érdekesek, amelyek energia felszabadulásával járnak. Ebbe a csoportba tartoznak a láncreakcióra vezető fissziós (maghasadásos) és fúziós (magegyesüléses) átalakulások, valamint a radioizotópok spontán bomlása. Az ilyen magreakciókra képes elemek a természetben különféle ásványok és vegyületek formájában találhatók, ezek nagyobb koncentrációjú előfordulásai a primer energiaforrások. A természetben található anyagokat fizikai és kémiai műveletek sorozatából álló összetett gyártási folyamatokban dolgozzák fel, a nukleáris energiahordozókat a felhasználást elősegítő anyagokba ágyazzák, többnyire művi úton előállított vegyületek formájában (pl. oxid, karbid), végül a kezelhetőséget és védelmet biztosító szerkezetekbe foglalják. Anukleáris energiahordozókat tehát mindig gyártott, szekunder energiahordozók formájában hasznosítják.

Jelenleg gyakorlati energetikai jelentősége a hasadóanyagoknak van. A természetben található anyagok közül egyedül az 235U-izotóp hajlamos láncreakcióra vezető hasadásra. Megfelelő neutronsűrűségű reaktorokban két további izotóp neutronbefogással hasadóanyaggá alakul át (tenyészanyagok), az 238U-ból 239Pu és a 232Th-ból 233U keletkezik. A primer energiahordozók az 235U-hasadóanyag, illetve az 238U- és 232Th-tenyészanyagok ércei. Az atomreaktorok jelenleg gyártott fűtőelemei elsődlegesen az 235U-izotóp hasznosítására alapulnak, ugyanakkor anyaguk nagy része 238U-izotópból áll. Az atomreaktorban lezajló 238239Pu-konverzió a tenyészanyag egy kis részét hasadóképessé teszi, a keletkezett plutónium bizonyos hányada szintén részt vesz a láncreakcióban és így a hőfejlesztésben is, legnagyobb része azonban a kiégett fűtőelemben visszamarad. Egyes kísérleti reaktortípusok fűtőelemei az 235U mellett tórium tenyészanyagot is tartalmaznak, a 232Th®233U-konverzió során keletkező urán egy része szintén részt vesz a láncreakcióban. Mindez azonban csak kevéssé befolyásolja azt a helyzetet, hogy a jelenleg tömegesen használt atomreaktorok alapvetően az 235U-izotópot hasznosítják, a tenyészanyagok energetikai kiaknázása csak másodlagosan és nagyon kis részarányban folyik.

1.4.7.1. ábra

A nukleáris energiaforrások racionális kiaknázása megkívánja, hogy a fűtőelemgyártás (1.4.7.1.ábra) növekvő arányban támaszkodjon a tenyészanyagokból nyert 239Pu-, továbbá 233U- (és esetleg 241Pu-) hasadóanyagokra is, mely izotópok a természetben elő sem fordulnak. A hasadóanyag-bázisnak ezt a bővülését egyrészt a reprocesszálás, másrészt a tenyésztés teszi lehetővé. A reprocesszálás célja a nukleáris reaktorokban hasznosított, kiégett fűtőelemekben visszamaradó jelentős mennyiségű hasadóképes anyag (235U és 239Pu) kinyerése, hogy azokból új fűtőelemeket lehessen előállítani. A kiégett fűtőelemek újra feldolgozásának meghonosítása körül ma még nagyon heves viták folynak, azonban az energetikai és környezetvédelmi követélmények egyaránt annak megvalósítását fogják kikényszeríteni. A szaporítóreaktorokban, sőt bizonyos fokig a magas hőmérsékletű reaktorokban is kialakítható tenyésztés ugyancsak bővíteni fogja a fűtőelem gyártásba bevont izotópok körét (239Pu és 233U), amennyiben a tenyésztés külön tenyésztőköpenyekben folyik, azok feldolgozása a reprocesszáláshoz hasonló technológiával történik.

A fúzióra számításba vehető könnyű izotópok közül a kutatómunka a deutérium és trícium használatára irányul. Az elképzelések szerint deutériumot a nehézvízből lehet kinyerni, a tríciumot neutronbesugárzással kiváltott magreakciókkal egyes lítiumizotópokból lehet tenyészteni. A fűtőanyagciklus részleteinek kialakítása még nagyarányú kutatást igényel, ami a fúziós kutatások kimenetelétől is függ. A spontán bomló radioizotópok nem képviselnek számottevő energetikai potenciált. Csupán alárendelt energetikai szerepet játszanak kis áramforrásokban, hőforrásokban vagy mérőeszközökben. A természetben pusztán néhány radioizotóp fordul elő. A gyakorlatban jóformán kizárólag mesterségesen előállított radioizotópokat alkalmaznak, ezeket neutronbesugárzással aktivizálják reaktorokban, egyes izotópokat részecskegyorsítókkal is előállítanak. A radioaktív preparátumok és különféle sugárforrások előállítása számos megmunkálási és anyagkezelési műveletet ölel fel.

Geotermális energia

Bolygónk tömege óriási mennyiségű hőt tárol. A hőmérsékletviszonyokról közvetlenül mért adatokkal csak mintegy 15km-es mélységig rendelkezünk, jelenleg ez a mélyfúrások technikai határa. A geofizikai mérések alapján következtetéseket lehet levonni a mélyebb rétegek viszonyairól is, de ezeket sok bizonytalanság terheli. A feltételezések szerint a mintegy 2900 km vastag földköpeny legkülső, 30−50km vastag kérge nagyrészt gránitból áll, ami alatt vékony bazalt- és vastag olivinréteg helyezkedik el (1.4.8.1.ábra). Ez fajsúly szerinti rendeződést is jelent, a könnyebb gránitban főleg szilícium és alumínium, a nehezebb bazaltban szilícium és magnézium, az olivinben vas-magnézium szilikátok a jellemző alkotók. A mintegy 7000 km átmérőjű mag belsejében a számítások szerint a nyomás meghaladja a 20kbart és a hőmérséklet a 3700K-t. Ezt a magot a külvilágtól a földköpeny zárja el, ami rossz hővezető lévén, termikusan is szigetel. A mag hőjének hasznosítására még a legmerészebb futurológusok sem gondolnak, reális lehetősége csak a kéreg legkülső rétegében levő hő kiaknázásának van, ami a teljes hőtartalomnak csak rendkívül kis hányada.

A mérések szerint a felszíni rétegekben lefelé haladva 100m-enként átlag 3°C-kal nő a hőmérséklet. A mért értékek extrapolálásán alapuló feltételezések szerint a Föld belseje felé a hőmérséklet alakulását a H mélység függvényében az 1.4.8.2.ábra mutatja. Eszerint 100km mélyen a hőmérséklet már az 1100K értéket is meghaladja, ahol a kőzetek olvadása is megindul. E plasztikus vagy olvadt kőzetek törnek fel láva formájában a kéreghibákon keresztül a tűzhányókban, azokon a helyeken, ahol a kéreg elvékonyodott. Ez a magas hőmérsékletű tartomány még hosszú ideig a technikai megközelíthetőség határán kívül esik. A felső kéreg hőtartalmát egyrészt a belülről kifelé irányuló hővezetés, másrészt a kéregben levő radioaktív anyagok bomlása szolgáltatja. Újabb vélemények szerint a radioaktivitás energiája olyan jelentős, hogy hatására a kéreg hőmérséklete nem csökken, hanem emelkedik. A kéreg hőtartalmának számítása egyelőre meglehetősen bizonytalan. A külső 10km-es héj diffúz hőtartalmára vonatkozó becslések a feltételezett hőmérséklet-eloszlástól függően 1021− 1024J között szóródnak, ami összemérhető a fosszilistüzelőanyag-vagyonnal. Más számítások a kéreg hővezető képességéből és a geotermális gradiensből kiindulva a felszínen 0,05W/m2 hőáramot mutatnak ki, ami a Föld teljes felszínére 32TW teljesítményt szolgáltat. Az európai potenciális lehetőségeket a 1.4.8.3.ábra mutatja. Ez a teljesítménysűrűség azonban energetikailag nem hasznosítható, hiszen 1kW 2hektárnyi területen gyűlik csak össze. Gyakorlati alkalmazása csupán a hő kumulált és koncentrált felszínre kerülésénél jöhet szóba.

1.4.8.2. ábra

A kéregben levő geotermális hőhordozók több típusát szokás megkülönböztetni. Legmagasabb hőmérséklete (1200°C-ig) a feltörő forró lávának van, ami azonban technikailag nem hasznosítható. Zárórétegek alatt forró gőz gyűlhet össze, amit a magma melegít, mély üledékes szerkezetekben különlegesen nagy nyomás alakulhat ki (geonyomás). Hasonló elrendezésű aquiferekben nagynyomású, forró víz fordulhat elő, ami elgőzölög, ha megfúrják. Az aquiferekben található 100°C-nál kisebb hőmérsékletű meleg víz megfúrva artézi forrásként vagy szivattyúzva kerülhet a felszínre. Végül hőhordozónak tekinthetők maguk a kéregben található kőzetek is. Forró víz és gőz csak egyes kivételes adottságú területeken fordul elő, de forró kőzeteket néhány kilométeres mélységben mindenütt fel lehet tételezni.

Bármilyen nagy is a geotermális potenciál a számítások szerint, a geotermális energia csupán járulékos szerepet játszhat az energiaigények kielégítésében, amit két körülmény tesz nyilvánvalóvá. Egyrészt a diffúz rezervoárt csak véges számú helyen lehet és érdemes megcsapolni, ami a kőzetek jó hőszigetelése miatt csak az adott körzet alatti hő felszínre juttatását teszi lehetővé. Ezt példázza a kaliforniai geotermális erőművek forrásainak kimerülése. Ez a teljes felszínnek csupán nagyon kis hányadát jelenti, így a kiaknázható potenciál sok nagyságrenddel kisebb az elméleti lehetőségnél. Másrészt a reálisan megközelíthető mélységben a hő viszonylag alacsony hőmérsékleten áll rendelkezésre. Ha ezt nem termikus célra kívánják hasznosítani, csak nagyon rossz, 10−15%-os hatékonysággal lehet átalakítani más energiafajtává, mert az adott hőfokhatárok között a Carnot-körfolyamat hatásfoka alacsony. A geotermális energiahordozók értékét érzékelteti, hogy a tömegegység energiatartalma 100−180kJ, ami 2−3 nagyságrenddel kisebb a szénhidrogének fűtőértékénél. Ageotermális energia nagyobb arányú hasznosításához ezeken kívül számos technikai problémát is meg kell oldani, ami jelenleg több országban kutató-fejlesztő munka tárgya. A geotermális energia elsősorban ott versenyképes, ahol előfordulásának körülményei az átlagosnál jóval kedvezőbbek (pl. Izland). Ez főleg olyan fiatal vulkanikus övezetekben várható, ahol a magma behatolásának következtében egyes helyeken melegvíz-tárolók és gőzdómok alakultak ki, amelyekből a rétegnyomás hatására forró víz vagy gőz jut a felszínre. Az ilyen területeken az átlagosnál jóval nagyobb a hőfokesés, pl. Jáva szigetén 100°C/100 m. Bár nem ilyen szélsőséges mértékben, a viszonylag vékony, 2−30km-es kéregvastagság következtében hazánk területének 70%-án is kivételesek a viszonyok, a geotermális gradiens kereken kétszerese az átlagosnak, és ennek következtében gyakoriak a hévforrások.

Természetes úton többnyire 60−120°C-os víz kerül a felszínre, 1500−2500m-nél nem mélyebb rétegekből. Néha a rezervoár csak a forrás szakaszos működését biztosítja (gejzír), esetleg szivattyúzás is szükséges. Vannak 2−35bar nyomású forró víz-gőz keveréket szolgáltató források, tapasztalt legnagyobb hőmérsékletük 306°C, és kivételesen találhatók 180−245°C-os túlhevített gőzelőfordulások is. A kilépő víz rendszerint különféle egyéb anyagokat is tartalmaz, homok formájában magával ragadott szilárd ásványi részecskéket, oldott ásványi sókat, nem kondenzálódó szennyező gázokat, például szén-dioxidot, ammóniát, metánt, nitrogént, hidrogént, kénhidrogént stb. E komponensek a hasznosításnál gyakran okoznak problémát, a szilárd hordalék eróziót vagy eltömődést okozhat, az agresszív anyagok, például a kénsavvá oxidálódó kénhidrogén korróziót idézhet elő, a metán és más szénhidrogéngőzök levegővel keveredve robbanókeveréket alkothatnak. Ezért az energetikai hasznosításhoz rendszerint szükség van szűrésre, gázleválasztásra, szeparálásra, egyéb tisztító eljárásokra, vagy hőcserélőn keresztül tiszta munkaközeget melegítenek fel (bináris rendszer). Ha a vízben nagy mennyiségű, hasznosítható ásványi anyag van, szóba jöhet azok egyidejű kinyerése is (Új-Zélandon ként, Chilében ásványokat vonnak ki). Azt is meg kell akadályozni, hogy az egészségre ártalmas vagy a környezetet szennyező alkotók a levegőbe vagy a felszíni vizekbe kerüljenek.

A forrásokban konvektív úton felszínre kerülő geotermális energia mennyisége nem nagy, és csak elvétve jelent érdemleges hozzájárulást az energiamérleghez. Mélyfúrások segítségével már a mai technikával is sokkal nagyobb arányban lehetne kiaknázni, azonban a beruházási kedvet gátolják a rezervoárbecsléssel kapcsolatos bizonytalanságok. Elsősorban ott tapasztalható érdemleges előrehaladás, ahol az információk más irányú ásványvagyon-kutatás melléktermékeként rendelkezésre állnak (pl. a szénhidrogén-kutatás mélyfúrásaiból). Egyébként kevés az adat annak megítélésére, hogy egy-egy erőforrásra mennyi ideig lehet biztosan számítani, annak hozama, a víz hőmérséklete és nyomása hogyan fog a jövőben alakulni. Egyes forrásoknál ezek a jellemzők nagyon hosszú ideig állandónak bizonyultak, másoknál viszont előre nem várt csökkenés következett be. Különösen fontos e kérdések megválaszolása a nagyarányú hasznosítás előtt, mert a forszírozott kiaknázás fokozza a kimerülés veszélyét (a legtöbb geotermális erőműnél a gőznyomás fokozatosan csökken).

A természetes hőforrások gazdaságos kiaknázásának köre – amelynek lehetőségeit az 1.4.8.4.ábra mutatja – nem túl széles, a 40°C-nál nem melegebb vizek elsősorban balneológiai (fürdők) célokra hasznosíthatók, a 40−70°C-ú források pedig mezőgazdasági célokra. A 70−120°C hőmérsékletű források térfűtésre, használatimelegvíz-szolgáltatásra alkalmazhatók; kisebb települések távhőszolgáltatására gazdaságos rendszereket lehet vele kialakítani, ha oldott ásványtartalma nem túl nagy. Nagy vízhozamú, 130−150°C-nál melegebb források elvileg villamosenergia-termelésre is felhasználhatók, a gyakorlatban azonban ez még ritkán gazdaságos. A villamosenergia-termelésre a száraz, kismértékben túlhevített gőzt termelő források a legalkalmasabbak, a gőzzel közvetlenül lehet a turbinákat hajtani. Ilyen források azonban csak kivételesen, néhány helyen fordulnak elő, a kiaknázott lehetőségek 3−10bar nyomáson 136−245°C hőmérsékletű gőzt szolgáltatnak. A megvalósított geotermális erőművek 70%-át száraz gőz táplálja. A természetben azonban többnyire nedves gőzforrások találhatók, ezek kiaknázása bonyolultabb és drágább, mert a hasznosításhoz a vizet le kell választani, esetleg a nyomás változtatásával annak egy részét még el is kell gőzölögtetni. A mai korszerű megoldások általában az Organikus Rankine körfolyamatok (ORC – Organic Rankine Cycle), amelyeknek felépítését és működését az 1.4.8.5.ábra mutatja.

Bár bizonyos mértékig minden elsődleges energiahordozó és -forrás megújul, a gazdálkodás szempontjából csak azokat lehet ide sorolni, amelyeknél a felhasználás mértéke nem haladja meg a megújulásét. Ennek a követelménynek azok a természeti erők felelnek meg, amelyeket legfeljebb csak a keletkezés ütemében lehet kiaknázni, ilyen ütemben viszont állandóan újratermelődnek. Az effajta energiaforrásokra rendszerint az is jellemző, hogy nem tárolódnak, azaz ha nem aknázzák ki őket, potenciális lehetőségük hasznosítatlanul elvész: a beeső napsugárzás kisugárzódik a világűrbe, a folyók belefolynak a tengerekbe, a hullámzás lecsillapodik stb.

Megújuló energiaforrásaink túlnyomó többsége közvetlenül vagy közvetve a napsugárzással van összefüggésben. Megújuló energiaforrás az árapály is, amelynek alakításában azonban a Hold játszik döntő szerepet.

1.4.8.5. ábra

Megújuló energiaforrások II.: Napenergia

Igaz ugyan, hogy az árapály-energia és a nukleáris energiahordozók kivételével minden energiahordozó energiája a Napból származtatható, de a fosszilis tüzelőanyagok évmilliárdok alatt felhalmozott energiáját mi néhány évszázad alatt eltüzeljük. A most szóban forgó energia azonban minden nap megújul. A Föld bármely féltekéje által nappal felhalmozott energiát éjszaka kisugározza a világűrbe. A napenergia kiemelt szerepet tölt be a földi életben. A napsugárzás eredményeképpen – a légkör közreműködésével – melegedhet fel a földfelszín és a levegő átlagosan 18 °C-ra, miközben a Föld a −270°C-os világűrben kering. Ez a magasnak mondható átlaghőmérséklet nélkülözhetetlen a magasabb rendű élet kialakulásához és fennmaradásához a Földön.

A legnagyobb jelentőségű megújuló energiaforrás a napsugárzás. A naptól földtávolságnyira a sugárzás felületegységre jutó teljesítménye (napállandó) átlagosan 1,35kW/ m2. A légkör határán és légkörben ennek az energiaáramnak egy része visszaverődik, ill. elnyelődik (1.4.9.3. ábra). A Föld felszínére jutó sugárzás nagyrészt látható fény, intenzitásának maximuma a zöld színnél van (ezzel magyarázható a klorofil zöld színe, lásd 1.4.9.1.ábra).

A Nap külső felületének hőmérséklete megközelítőleg ~6000K. A magas hőmérséklet következtében a Nap a hideg világűr felé elektromágneses sugárzást bocsát ki, melynek sugárzó teljesítménye hozzávetőlegesen 4×1023kW, amiből a földfelszín részesedése eléri a 173×1012kW-ot. Ez a sugárzás formájában érkező teljesítmény több ezerszeresen meghaladja az emberiség jelenlegi energiaigényét.

1.4.9.1. ábra Forrás: http://www.astro.u-szeged.hu/

A földi légkör külső határára érkező napsugárzásnak csak egy része éri el a földfelszínt. (Azatmoszféravastagság gyengítő hatását figyelembe veszik a számításoknál, és így jelzik: 1,5AM, ez pl. a másfélszeres atmoszféra vastagságnak megfelelő gyengítést jelöl, ami a nem merőleges besugárzás következménye.) A Föld sugárzási mérlege átlagértékben állandóan kiegyenlített. A Föld egyes pontjain azonban a napsugárzás értéke időben változó. Magyarország földrajzi szélességén a napsugárzás az év folyamán erősen ingadozik. Ennek oka egyrészt a Nap−Föld rendszer geometriai viszonyainak ciklikus változása és az időjárástól függő felhősödés. A Föld ellipszis alakú keringési pályája miatt a Föld−Nap távolság változó, értéke napközelben (január 3-án) 147 millió kilométer, naptávolban (július 4-én) 152 millió kilométer. A két égitest közötti távolság változásával együtt kismértékben a napsugárzás értéke is változik. Ennek ellenére a légkör külső határára érkező napsugárzást állandónak tekintjük, és egy átlagos értékkel, az úgynevezett napállandóval jellemezzük.

Derült időjárás, felhőtlen égbolt esetén a napsugárzást csak a légkör gyengíti, ami a napsugárzás teljes hullámhossztartományában közel egyenletes és kiszámítható gyengülést okoz. Ennél jelentősebb az időjárási jelenségek (felhőzet, köd, stb.) gyengítő hatása. Egy adott földrajzi helyen a felhőzet gyakoriságát, a derült és borult napok számát, valamint a földfelszínen mérhető napsugárzást sok éves méréseken alapuló meteorológiai adatsorok segítségével becsülhetjük meg.

1.4.9.2. ábra Forrás: Wikipédia

Magyarország földrajzi helyzete: az északi mérsékelt öv, az északi szélesség 45,8° és 48,6° között. Anapsütéses órák száma közel évi 2100 óra, a vízszintes felületre érkező napsugárzás hőmennyisége nagyjából 1300 kWh/m2év. A napsugárzás csúcsértéke nyáron, a déli órákban, derült, tiszta égbolt esetén eléri, nagyritkán meghaladja az 1000 W/m2 értéket. Hazánkban a szórt sugárzás részaránya jelentős, meghaladja az 50%-ot, ezért az ún. koncentrátoros hasznosítás lehetőségei nem kedvezőek (1.4.9.2.ábra).

A Földet érő napsugárzás hatalmasa energiája sok emberben olyan gondolatokat ébreszt, hogy ebben keresse az energiaellátás végleges megoldását. Sajnos e feltételezések nem reálisak. AFöldet érő napsugárzás egy évi energiájának 1‰-énél többet nemigen lehet energetikai célokra elvonni, ha nem akarunk ökológiai zavarokat előidézni a bioszférában. A továbbiakban a napenergia nem lehet az egyetlen kizárólagos elsődleges energiaforrás, csupán az egyidejűleg hasznosított energiahordozók és -források egyike.

1.4.9.3. ábra

Ha nem remélhetjük is, hogy a napenergiával meg lehet oldani az összes távlati energiaproblémát, érdemes törekedni e megújuló, tiszta, a környezetet nem szennyező forrás minél nagyobb arányú kiaknázására, ahogy a jelenlegi örvendetes tendenciák mutatják.

Jelenleg a napenergiát legszélesebb körűen a mezőgazdaság hasznosítja, hiszen a növénytermesztés alapvetően a fotoszintézisen alapul. A fotoszintézis során a növények a klorofill katalitikus hatására szén-dioxidból, vízből és ásványokból oxigén felszabadítása közben szénhidrátokat állítanak elő. Az endoterm reakciók energiáját a napsugárzás fedezi, annak átlagosan 55%-a oxidációs folyamatokban újból szabaddá válik (légzés), 45%-a pedig mint kötési energia a keletkező szerves anyagokban marad. A lehetséges sokféle folyamat közül a legegyszerűbb a glukóz képződése a

reakció szerint, a reakcióhő fedezéséhez a fénynek 15,7MJ energiát kell biztosítani 1kg glukóz előállításához. A fotoszintézis jó hatásfokú, energiaintenzív folyamat, amit az is érzékeltet, hogy kémiai úton a víz felbontásához sokkal magasabb hőmérséklet, 3000°C szükséges. Ez a növények növekedésére hasznosított energia 1kg szilárd szerves anyagban átlagosan 16MJ, természetesen a növények fajtájától és a környezeti adottságoktól függően az átlag körül nagy a szórás. A növények súlya a növekedés időszakában 1m2 területen naponta átlagosan néhány grammal gyarap­szik. A talajszintre érkező napsugárzásból a növényvilág a növekedésre a szárazföldön 0,2−0,3%-ot, a tengerben 0,04−0,07%-ot hasznosít. A fotoszintézis a Földön évente 2×1011t karbont köt meg, ami 3×1021J/évnek felel meg. (Ez a világ energiafelhasználásának tízszerese és az élelmiszer-felhasználás kétszázszorosa.) A fotoszintézis energetikai hatásfokának elméleti maximumát 13%-ra becsülik, a tényleges értékek jóval kisebbek (1.4.9.4.ábra).

A természetben előforduló minden szerves vegyület végső fokon a fotoszintézisből származik, a növényvilágnál ez a kapcsolat közvetlen, az állatvilágnál közvetett, a táplálékláncon keresztül érvényesül. Az élőlények elpusztulása után e szerves anyagok tovább oxidálódnak és bomlanak, kötési energiájuk nagy része a bomlástermékekben visszakerül a légkörbe vagy kisugárzódik infravörös hullámok formájában, és csak nagyon kis része marad vissza a talaj részévé váló anyagban (humusz, szapropél). A visszamaradó anyag ismét bekerülhet a táplálékláncba, de ezekből képződnek az ásványi tüzelőanyag-készletek is.

Vannak, akik javasolják a fotoszintézis kifejezetten energetikai célú hasznosítását. Az egyik irányzat gyorsan növő növényi tüzelőanyagok termelését ajánlja melegebb klímaövezetekben kialakított energiaültetvényeken. E célra felvetik különféle fák (szikomor-, eukaliptusz, nyár-, édes gumi-, éger-, kőrisfa), egyéb szárazföldi növények (szudáni fű, napier fű, cirok, cukornád, cukorrépa, napraforgó, kenaf) és vízi növények (tengeri hínár, vízijácint) termesztését. Abiokonverzió átlagos teljesítménysűrűsége 0,5W/m2-re becsülhető. 100MW hőteljesítmény kielégítéséhez például 130km22 cukornádültetvény vágy 740 km2 szikomorfa-erdő szükséges. Trópusi erdőkben a begyűjtés és a szállítás okoz gondot, mérsékelt égövön pedig a növényápolás. Valószínűtlen, hogy e munkaigényes eljárás több társadalmi hasznot hajt, mint a kultúrnövények termesztése, arról nem beszélve, hogy a világ élelmezési nehézségei miatt fontosabb a termőföldet és a munkaerőt élelmiszerek termelésére használni. Több fantázia van a javaslatok másik irányzatában, ami vegyipari feldolgozásra kíván a fotoszintézissel szénhidrátokat előállítani. Többnyire vizes kultúrákban (energiafarm, biomassza) gyorsan fejlődő moszatok, algák tenyésztését kutatják, a tenyésztés hatásfokát az enzimvegyészet módszereivel nagymértékben fokozni lehet. Az így előállított szénhidrátokból részben a szokásos kémiai technológiai eljárásokkal, részben a mikroorganizmusok segítségével kialakított fermentáció során különböző nyersanyagokat akarnak gyártani, többek között tüzelőanyagokat is (metán, metanol, hidrogén, olaj stb.).

1.4.9.4. ábra

A sugárzást a legkönnyebb hő formájában hasznosítani. Az energiaátalakítás egy abszorbensben történik; ez a legegyszerűbb esetben sötét színű (fém)felület, ami a sugarakat elnyeli és felmelegszik. Fekete felületek abszorpciója 90−97%-os. Az abszorbens hőmérséklete addig emelkedik, amíg a sugárzás, konvekció és hővezetés révén leadott teljesítménye el nem éri az abszorbeált sugárzás teljesítményét. A konstruktőrök fő feladata e veszteségek csökkentése. Akonvekció fedéssel (üveg, műanyag), a kisugárzás az infravörös hullámokat visszaverő réteggel csökkenthető. Az utóbbinak legegyszerűbb módja egy vagy több, a fényt áteresztő, de az infravörös sugarakat visszaverő üveg vagy műanyag réteg az abszorbens előtt. Ezt a hatást mind ezeken a rétegeken, mind az abszorbensen szelektív bevonatokkal fokozni lehet, így a kisugárzást 5−10%-ra is le lehet szorítani.

A napenergia hasznosításának útjában két alapvető nehézség áll. Az egyik a napsugárzás szakaszos és változékony jellegéből fakad. Kevés olyan felhasználó van, amelyik az energiaigényeivel ehhez alkalmazkodni tud, ezért többnyire szükség van energiatárolásra. A tárolás megnöveli az amúgy is számottevő beruházási költséget és növeli az energiaveszteséget. Ez óhatatlanul olyan területekre korlátozza a hasznosítást, ahol az igényeket más energiahordozóval nem lehet olcsón kielégíteni, vagy az ellátásnak technikai akadályai vannak. A tetemes beruházási költségek miatt a napenergia elsősorban ott lehet versenyképes, ahol a sugárzás intenzitása és a napos órák száma nagy (trópusi és mediterrán területek, magas hegyek, a légkörön kívüli térségek). A másik nehézséget a sugárzás kis energiasűrűsége okozza. A felhasználás jellegétől és az átalakítás hatásfokától függően 1kW teljesítményhez 10−50m2-ről kell összegyűjteni a napfényt, ami 1GW-nál már 10−50km2-t jelent. Ebből viszont az következik, hogy nagy teljesítményű berendezéseket csak más célra használhatatlan területekre, például sivatagokba lehet telepíteni. Az ilyen klímaövezetben az is hátrányos, hogy az év jelentős hányadában az égbolt fedett, csupán szórt sugárzás érkezik a talajszintre, amit nem lehet optikailag koncentrálni, azonban léteznek nem optikai koncentrálási módszerek is.

A hőfejlesztés a legelőrehaladottabb és legígéretesebb irányzat a napsugárzás hasznosítására. Ennek legegyszerűbb módszerét, a melegházhatást a mezőgazdaságban széleskörűen alkalmazzák. A növényházak üveglapjai és a fóliasátrak műanyag borítása a napsugarakat átengedi, a felmelegedett talaj és növényzet infravörös kisugárzását viszont jórészt visszaveri, így a hő nagy része a zárt térben marad. Lényegében ennek továbbfejlesztett változata a síkkollektor (1.4.9.5.ábra); lényege egy olyan abszorbeáló felület, ami a l<3mm hullámhossztartományba eső napsugárzást elnyeli és hővé alakítja át, viszont kevéssé hajlamos a hő kisugárzására a l>3mm hullámhosszú infravörös tartományban. Ilyen felületeket megfelelő összetételű fémes anyagokból, illetve sötét festék- vagy oxidbevonatokkal lehet előállítani. Az abszorbeáló felülettől a hőt egy áramló munkaközeg – többnyire levegő vagy csövekben keringő víz – szállítja el. A víz keringtetéséhez a járatokat legegyszerűbb magában az abszorbeáló felületben kialakítani. E hőcserélőt a környezettől alul szilárd hőszigetelés, felül levegőréteg választja el, a kollektort pedig olyan üveg- vagy műanyag réteg fedi le, amelyik a napsugárzást átereszti, de az infravörös sugarakat visszaveri vagy szétszórja. A fedőréteg optikai tulajdonságai bevonatokkal szintén befolyásolhatók, a hőháztartás javítására gyakran kettős (néha hármas) üveglapot alkalmaznak. Asíkkollektorok hatásfoka erősen függ a sugárzás teljesítményétől. Az egyszerű síkkollektorok maximális hatásfoka 40−50%, de a légkör páratartalmának növekedésével gyorsan zérusra csökken. Javítja a hatásfokot egy második üveglap; szelektív bevonatokkal borús, sőt csapadékos időben is használható rendszereket lehet kialakítani, ezek hatásfoka derült időben 60−70%-ot is elérhet. Újabban épületelemekből (ablak, tető, falrészlet) készített kollektorok kidolgozásával is foglalkoznak (1.4.9.6.ábra). A ma hozzáférhető legnagyobb hatásfokú megoldás a vákuumcsöves napkollektor (1.4.9.7.ábra).

1.4.9.6. ábra Forrás: Sørensen, Bent: Renewable Energy. Its physics, engineering, use, environmental impacts, economy and planning aspects, Elsevier, 2004

1.4.9.7. ábra Forrás: http://www.lenz.hu/termekeink.php

Villamosenergia-fejlesztés céljára a magas hőmérsékletű kollektorok két rendszerét alkalmazzák. Az egyik parabolatükrök vagy Fresnel-lencsék sorozatából áll, amiknek a gyújtópontjában vagy a gyújtóvonalában helyezkednek el az abszorbensek (solar-farm), ezekből gyűjtik össze a felmelegített munkaközeget. E 12−15%-os hatásfokú berendezés viszonylag egyszerű, de csak kisebb, mintegy 50MW-ig terjedő tartományban gazdaságos. Nagyobb teljesítményre többet ígér a 18−20%-os hatásfokú toronymegoldás, ahol a tükrök egy torony tetején elhelyezett gömb alakú abszorbensre koncentrálják a sugarakat.

A fotovoltatikus energiatermelés alapja - a napelem

A fotovillamos (PV) napelemek leggyakrabban a napsugárzás spektrumának a látható fény tartományába eső részét hasznosítják. A PV-elem tulajdonképpen egy dióda, egy n típusú felső és egy p típusú alsó félvezetőből, továbbá a felső és az alsó részhez csatlakozó fémvezetőből áll, amiket külső egyenáramú kör kapcsol össze. A beeső fénysugárzás fotonjai a felső félvezető elektronjait gerjesztik, és ha azok ennek hatására nagyobb energiára tesznek szert, mint a tiltott sáv szélessége, akkor a felső félvezető elektronjai kimozdulnak a kötésükből, kialakítva az n típusú félvezetőben az elektronfelesleget. Ugyanakkor az alsó, p típusú félvezetőben elektronhiány lép fel, a potenciálkülönbség hatására az elektronáram megindul, és egyenáram nyerhető, amit megfelelő váltakozó árammá alakíthatunk inverterrel.

1.4.10.1. ábra

Napelemeknek jellegzetes feszültség-áram karakterisztikája van. Az U−I jelleggörbe alkalmas a napelem általános, gyors megítélésére. A görbe a feszültségtengelyt az üresjárati feszültségnél metszi, míg az áramtengelyt a rövidzárra jellemző áram értéknél. Ha a terhelést az előbb definiált szélsőértékek között változtatjuk, akkor a képen látható jelleggörbét kapjuk eredményül. (Ténylegesen a felső szakasz nem vízszintes!)

A görbe menetéből következik, hogy egy széles tartományban a leadott egyenáram csak kis mértékben csökken a napelemen mutatkozó feszültség növelésével. Ha a feszültség tovább növekszik – egy könyökpont elérésekor – a görbe letörik, az áram gyors változásnak indul, gyakorlatilag nullára csökken. A letöréshez tartozó feszültség- és áramértékek kimérése, meghatározása fontos a PV-elem optimális üzemeltetési viszonyainak meghatározásában, hiszen a napelemből kinyerhető legnagyobb teljesítmény egyenlő lesz a görbe alá berajzolható legnagyobb téglalap területével. Ennek a téglalapnak pedig egyik csúcsát éppen a letöréshez tartozó résszel érinti a jelleggörbe. A helyzetet bonyolítja, hogy az eddigiekben tárgyalt jelleggörbe meghatározásakor egy adott, állandó napsugárzás-intenzitást és egy adott, állandó környezeti hőmérsékletet feltételeznek. Paraméterként felvéve az előbb említett két mennyiséget nem egy görbét, hanem görbesereget kapunk eredményül. Ez azt jelenti, hogy a környezeti hőmérséklet és/vagy a napsugárzás-intenzitás változásával a napelem optimális munkapontja (1.4.10.2.ábra) eltolódik, amit a korszerű elektronikai rendszerek automatikusan kezelnek.

1.4.10.2. ábra

A környezeti hőmérséklet növekedésével a napelemből kinyerhető teljesítmény csökken, főleg az üresjárati feszültség csökkenése miatt. A feszültség hőmérsékletérzékenységének magyarázata az, hogy az egyszerű, helyettesítő villamos modell szerinti dióda záró irányú árama rohamosan növekszik a hőmérséklettel. Általánosságban elmondható, hogy az amorf celláknál körülbelül 0,2% teljesítménycsökkenés lép fel minden foknyi hőmérsékletnövekedéssel, ugyanez a polikristályos és egykristályos cellák esetén 0,4%. Az elektromos teljesítőképesség tehát jó közelítéssel lineárisan függ a napelemek hőmérsékletétől.

A PV-elem − sötét színének köszönhetően − a napenergia nagy hányadát elnyeli, így hőmérséklete jóval magasabb lehet, mint a környezet hőmérséklete. Ha van villamosteljesítmény-felvétel a napelemről, akkor némileg alacsonyabb a hőmérséklete, mint ha ugyanilyen körülmények között nincs áramkiadás. Ennek az a magyarázata, hogy villamos teljesítmény leadáskor a napenergiának egy része elektromos árammá transzformálódik a cellákban, és nem a napelem felmelegítésére fordítódik. Anapelem hőmérséklete gyakorlatilag lineárisan függ a sugárzás intenzitástól.

A napelemek típusai

A kristályos napelemek a legrégebben használt, legkiforrottabb és a legelterjedtebb technológiának számítanak; a kristályos technológia esetén nagy tisztaságú szilíciumcellákból épülnek fel. A cellák gyártási technológiája alapján megkülönböztetünk monokristályos és polikristályos cellákat.

A különbség a két technológia között a szilíciumtömbök előállításában van, azokban, amiből a Si-lapokat (wafer) vágják:

  • Monokristályos cellákhoz a szilíciumtömböt úgy kristályosítják, hogy az egyetlen szabályos kristály legyen, amit folyamatos „kihúzással” valósítanak meg az olvadékból elektromos tér jelenlétében, az ilyen tömb henger alakú, ebből lesznek azután a levágott sarkúnak tűnő nyolcszögletű elemek.

  • Polikristályos cellákhoz a szilíciumot négyzet keresztmetszetű tömbökbe öntéssel állítják elő, miközben a szilícium több kristályban dermed meg.

A monokristályos celláknál az éleiket levágva, a körlapból legtöbbször nyolcszög alakú cellákat alakítanak ki, így ránézésre is meg lehet különböztetni a poli- és monokristályos cellákat és az abból készült napelemeket (1.4.10.3.ábra).

A gyártási eljáráson kívül a gyakorlati szakemberek szerint az alkalmazhatóságban kismértékű különbség van a mono- és polikristályos napelemek között. Melegebb környezetben monokristályos modulok kicsit jobban teljesítenek, míg északon a polikristályos teljesít jobban; illetve általában, nagyobb a hatásfoka a monokristályos celláknak. Közép-Európában a PV-panelek szállítóinak ajánlásai szerint gyakorlatilag azonos mennyiségű áramot lehet megtermelni velük ugyanakkora összteljesítmény esetén, többnyire nem lehet kimutatni szignifikáns éves különbséget. Így jellemzően a gyártó, az ár, a beszerezhetőség és a tetőn való elhelyezhetőség alapján szokás választani köztük.

1.4.10.3. ábra

A kristályos technológia mellett ún. vékonyréteg-technológiával is állítanak elő napelemeket. Ahordozók tekintetében nagyon széles lehetőségek vannak az üvegtől a hajlékony hordozókig. Azelőállítás olcsóbb, azonban a hatásfok jóval alacsonyabb, és a teljesítménydegradáció is fellép néhány hónap alatt, de azután már stabilizálódik a szolgáltatott energia.

A vékonyrétegű (vagy vékonyfilmes) technológiánál tehát nem kristályos szilíciumtömbökből vágnak cellákat, hanem a félvezető réteget kémiai vagy fizikai módszerekkel deponálják közvetlenül az üvegre, vagy akár egy más hordozófelületre viszik fel úgy, hogy a néhány mikron vastagságú, egyenletes félvezető réteg kialakuljon. A félvezető filmréteget és az alapanyagot a gyártási technológia határozza meg, jelenleg az elterjedt és már tömeggyártásban lévő vékonyrétegű technológiák a következők:

  • aSi−µSi, azaz amorf szilícium (aSi) és mikromorf (µSi) szilícium: ez a ma használt technológiák közül az egyik nagyon elterjedt, jelentős számú cég vágott bele az utóbbi években ilyen technológiájú gyártásba. A félvezető réteg itt is szilícium, amit szilángázból (SiH4) állítanak elő: kémiai reakció során a hidrogént leválasztják a szilíciumról, ami lerakódik az üvegre vagy más felületre, pl. műanyagra vagy fémre is akár. Viszonylag kis hatásfokú napelemet nyernek: aSi 5−6%-os, µSi 7−9%-os.

  • CdTe, azaz kadmium-tellurid: ez a másik fő vékonyrétegű technológia, de itt egy gyártó (First Solar) kezében koncentrálódik a termelés döntő része. A First Solar speciális, VTD gyártási technológiát (magas hőfokú porlasztást) használ a gyártásban. Óriási szériában tudják előállítani 7−10% hatásfokú napelemeiket. A kadmium nagy toxicitása és tűzveszélyes volta, valamint a tellur nehézkes hozzáférhetősége kihívást jelent ennél a típusnál.

  • CIGS, CIS, azaz réz-indium-gallium-diszelenid és réz-indium-diszelenid: a vékonyrétegű technológiák újabb változata. Tömeggyártása csak 2010-ben indult be, addig csak pilot-sorokon folyt a gyártás és fejlesztés, általában 5−20MW éves kapacitással. Nagyon sok cég fejleszt ilyen gyártási módokat, mivel 9−12%-os hatásfokot is el lehet érni az ilyen napelemekkel. Azonban egyelőre nem sikerült igazán olcsó gyártási módot találni, és az alapanya­gok közül is némelyik szűkösen hozzáférhető és drága, de a számos fejlesztés miatt ígéretes és lassan már elérhető technológiának tartják.

Vékonyrétegű napelemek a világ napelemes piacának 20%-át jelentik, és viszonylag új technológiának számítanak, de azért már kipróbált és elfogadott megoldásnak tekinthetők. Mivel kisebb a hatásfokuk, így pl. családi ház tetejére nagyon ritkán kerülnek, mert nagyobb a területi igényük a kristályos napelemekhez képest. Inkább erőműtelepi (földre telepített) alkalmazásuk jöhet szóba. A vékonyrétegű napelemeknek jobb a hőmérsékleti együtthatója, így főként a sivatagos, nagyon meleg környezetben (tehát nem Közép-Európában) van előnye, mert a nagy melegre kevésbé érzékenyek, mint a kristályos napelemek. A kutatási irányokat és eredményeket szemlélteti a 1.4.10.4.ábra a US National Center for PV közleménye alapján, ami szerint a laboratóriumi eredmények a jóval a kereskedelmi típusok előtt járnak.

1.4.10.4. ábra Forrás: NREL, Raffaelle: Current trends in photovoltaic, Summit on Energy Efficiency, 1. April 2011, Santa Barbara

A kereskedelmi napelemrendszerek: modul – panel – telep

Az elemi napelemeket ún. modulokon alakítják ki, ennek mérete a gyártástechnológia függvénye. Típusaik az előbbiekben szerepeltek. A modulokat azután táblásítják, így alakítják ki a paneleket. Apanelek már megfelelő védelmet biztosítanak a napelemeknek, fedőréteg, hátlap és megfelelő keret biztosítja a szerelhetőséget. A panelek kialakítása olyan, hogy közvetlenül a háztetőhöz rögzített állványzatra vagy erőműtelep esetében a földön rögzített állványzatra lehet szerelni azokat. A panelek legtöbbje a területét érő szélhatásból származó erőhatásoknak is ellenáll. Az ilyen panelek forgató rendszerekre is közvetlenül felszerelhetők.

Megújuló energiaforrások III.: Vízenergia

A legnagyobb mértékben hasznosított megújuló energiaforrás a vízenergia. A légköri vízkörfolyamat (hidrológiai ciklus 1.4.11.1.ábra) fenntartása a Földre beeső napenergia 23%-át köti le, ennek legnagyobb részét (20,7%) a víz elpárologtatása teszi ki, a többi az elpárologtatott víz szállítását, a csapadék és a felszíni vízfolyások fenntartását szolgálja. Mintegy 2−3MJ munka szükséges ahhoz, hogy 1kg víz a szabad vízfelszínekről elpárologjon, és a vízgőz a felhőképződés szintjéig felemelkedjen. Ennek az energiának a legnagyobb része azonban a mi számunkra elvész, a gőz kondenzálódásakor felszabaduló hő a felhőket melegíti, a csapadék (eső, hó, jég) mozgása közben fellépő súrlódási és ütközési veszteséget sem tudjuk felhasználni, és ugyancsak veszendőbe megy a felhő és a földfelszín közötti potenciális energia. A lehullott csapadék egy része a felszíni vízfolyásokban gyűlik össze, a gravitáció hatására a tengerig vezető útjuk során jelentős ellenállást kell a vízrészecskéknek leküzdeniük. Az egész körfolyamatból tulajdonképpen csak azt a kis hányadot lehet hasznosítani, amivel csökkenteni tudjuk a tengervízig vezető út során felemésztett energiát. Az áramló víz energiáját alapvetően a vízfolyás szintkülönbsége szabja meg, e mellett a mozgási energia elhanyagolható. Az áramlási sebesség ugyanis a leggyorsabb szakaszon sem haladja meg az 5−6m/s-ot, ami a Bernoulli-egyenlet szerint csupán 1−2m-es geodetikus szintkülönbségnek felel meg, ez pedig jelentéktelen a potenciális energia mellett. A veszteség csökkentésének két útja van, az egyik a sebességnek, a másik a súrlódási ellenállásnak a csökkentésé. A vízfolyás duzzasztás hatására lelassul; mivel az áramlási veszteség a sebesség négyzetével arányos, a duzzasztás következtében a súrlódás leküzdéséhez szükséges energia csökken. A potenciális energia eképpen felszabaduló része jelöli ki az energetikai célra hasznosítható esésmagasságot. Ugyancsak a súrlódás csökkenését eredményezi, ha a vizet a természetes medertől eltérő, kisebb áramlási veszteséget okozó pályán vezetik el. Ez lehet a felszínen vezetett üzemvíz-csatorna, a föld belsejében kialakított vízzáró alagút vagy külön nyomócső. E pálya rendszerint rövidebb, mint a természetes meder, és fala lényegesen simább, a kisebb súrlódási veszteség ugyancsak a potenciális energia egy részét teszi hasznosíthatóvá.

1.4.11.1. ábra Forrás: www.mgk.u-szeged.hu/download.php?docID=7490 és Magyar Tudomány, 2008/06 698. o. http://www.matud.iif.hu/08jun/05.html

Technikailag a legjobb (90−95%-os) hatásfokkal a víz potenciális energiáját tudjuk mechanikai energia formájában hasznosítani. A potenciális energiakészlet egyrészt az adott szakaszon az időegység alatt átfolyó víz mennyiségével jellemzett vízhozammal, másrészt a szintkülönbségtől függő esésmagassággal arányos. A szintkülönbség a domborzati viszonyoktól függő állandó érték, de az ebből energetikailag kiaknázható hányad már függ a vízjárást befolyásoló műtárgyaktól. A vízhozam viszont időben változó mennyiség, nagyon erősen függ a vízgyűjtő terület csapadékviszonyaitól, hegyvidéken a hóolvadás lefolyásától, a nem energetikai célú vízkivételezés (öntözés, ivóvíz, ipari felhasználás) mértékétől, a vízgyűjtés módjától az esetleges tározókban, valamint a vízfolyásra telepített más vízerőművek üzemvitelétől. A vízhozam valószínűségi változó, amit csak több évtizedes megfigyelés alapján lehet megítélni. A vízhozam szélső értékei között nagyságrendi különbség lehet, például a Duna legkisebb vízhozama sok évtizedes időszak alatt Qmin=700m3/s, legnagyobb vízhozama pedig Qmax=8500m3/s volt. A hasznosítás szempontjából perdöntő, hogy milyen vízhozammal lehet tartósan számolni.

A világ potenciális vízenergia-készletéről csak becslések állnak rendelkezésre, a számítások szerint évi kb. 300EJ. Ebből műszakilag 160EJ-t tartanak elméletileg hasznosíthatónak, figyelembe véve, hogy a potenciális energia egy része a súrlódás leküzdéséhez szükséges, más része pedig műszaki korlátok miatt nem kiaknázható (túl kis vízhozam vagy esésmagasság, topológiai akadályok, a kiépítésnél elkerülhetetlen veszteségek stb.). Az elméletileg hasznosítható energia 5TW-nyi teljesítményt jelent. A technika fejlődése növeli ugyan a műszaki hasznosítás lehetőségéit, de e tekintetben minőségi változást már nem lehet remélni. Az, hogy a műszakilag kiaknázható potenciálból mennyit érdemes valóban igénybe venni, gazdasági mérlegelés tárgya, ami nagyrészt a beruházási terheken múlik.

Maguk a vízerőművek is beruházásigényesek, létesítésük együtt jár kiterjedt egyéb építési munkálatokkal is: a vízgyűjtéshez gátakat és víztározókat, a vízhozam biztosításához hosszú üzemvíz-csatornákat, nyomócsöveket vagy más rendszereket kell építeni, az árvízvédelemhez hosszú partszakaszokat kell megerősíteni, esetleg településeket áthelyezni, gyakran közlekedési útvonalakat (út, vasút) és közműrendszereket (víz, csatorna, távvezeték, csőhálózat) is át kell építeni, hajózható folyamokon pedig a hajózás biztosítása külön zsiliprendszert igényel a vízlépcsőnél. Egy-egy vízerőmű építése nemcsak a vízfolyás jellegét változtatja még hosszabb szakaszon, hanem az életkörülményeket is. A nagy beruházási költségek többnyire akkor térülnek meg, ha az energetikai hasznosítás a körzet vízgazdálkodási problémáinak komplex megoldásával párosul. Ilyen lehetőségek közé tartozik az árvízveszély megszüntetése a partvédelem kiépítésével és a vízjárás kiegyenlítésével, stabil hajózóút kialakítása a duzzasztás révén, az öntözési és egyéb vízigények feltéte­lének megteremtése az egyenletesebb vízhozammal, víztározóknál üdülési övezetek kialakítása, haltenyésztés lehetővé tétele stb.

1.4.11.2. ábra

A beruházási költségeket alapvetően a topológiai viszonyok szabják meg. A kiaknázható esésmagasság függvényében megkülönböztetnek kis, közepes és nagy esésű erőműveket (nyomásúnak is nevezik a turbinában hasznosított nyomáskülönbség alapján, 1.4.11.2.ábra). Az esésmagasság 15m alatt kicsi, 50m felett nagy. Az átmeneti, 15−50m közötti, közepes kategória energetikailag és a szerkezeti megoldások szerint egyaránt a nagy esésű erőművekhez sorolható. A nagy esésű erőművek többnyire fajlagosan olcsóbbak. A hegyekben rendszerint kínálkoznak olyan völgyszakaszok, amik völgyzárógáttal elrekeszthetők a víz összegyűjtésére. Ezekben a tározókban nemcsak a vízjárás egyenetlenségeinek kiegyenlítéséhez szükséges vízmennyiség gyűjthető össze, hanem a villamosenergia-rendszer csúcsterhelésének időszakára nagyobb tartalékot is lehet képezni, ami rendszerszinten járulékos értéket ad ezeknek az erőműveknek. A tárolt vízmennyiségtől függően napi, heti, éves (szezonális) vagy még hosszabb idejű tározó alakítható ki. A közepes esésmagasságú erőműveknél rendszerint csak napi vagy heti tározás lehetséges. A nagy esésmagasság még viszonylag kis vízhozammal is számottevő teljesítményt szolgáltat, de ha az nagy vízhozammal párosul, a kinyerhető nagy teljesítmény a villamosenergia-termelés legolcsóbb megoldása. A kis esésű erőműveket egyrészt az drágítja, hogy a számottevő teljesítményhez nagy vízhozam szükséges, és a nagy folyókon a műtárgyak építése sokba kerül, másrészt az, hogy az esésmagasság kialakításához hosszú szakaszon kell visszaduzzasztani a folyót, ami rendszerint partvédelmet is igényel. A tározás lehetőségei a kis szintkülönbség miatt korlátozottak, legfeljebb napi periodicitás valósítható meg.

A szezonális tározás mértéke erősen befolyásolja a vízerőművek kihasználását. A vízgyűjtő területen csapadékban gazdag és szegény évek váltakoznak, és ha ezt nem lehet kiegyenlíteni, a vízhiányos időszakban az erőmű az átlagosnál jóval kevesebb energiát tud csak fejleszteni. A ténylegesen hasznosított vízenergia viszonya a sokévi átlaghoz a hidraulicitás, amiben 1:3 arányú eltérések is előfordulnak. A csapadékban bőséges időszak időpontja területenként változik, a magas hegységekben (pl. az Alpokban) a hóolvadás miatt tavasszal, a középhegyekben (pl. a Pireneusokban) többnyire ősszel nagy a vízhozam, ami előnyös kooperációkra ad módot (pl. Franciaország és Spanyolország között). A gazdaságosságot nemcsak az építési költségek befolyásolják, hanem az is, hogy hogyan lehet a fejlesztett villamos energiát elszállítani. Bár ezt a kérdést az egészen nagyfeszültségű távvezetékek révén egyre könnyebb megoldani.

A gazdaságosan kihasználható vízenergia mértéke a gazdasági körülményektől függően változik, a jelenlegi megítélés szerint az egész világra számolva 40EJ-ra tehető. Az erre telepíthető erőműkapacitás nagysága az üzemvitel módjától függ, átlagértékkel számolva kb. 3TW, aminek eddig 12%-át építették ki. Érdemes megemlíteni, hogy a világ átlagosan 15 évenként megkétszereződő összesített erőmű-kapacitása egy évtizeden belül meghaladja a 4TW-ot, így a távolabbi jövőben a vízerőművek részaránya szükségszerűen csökkenni fog. A vízenergia hasznosításának nagy múltja van. Vízikerékkel hajtott öntözőberendezéseket már az ókorban használtak Egyiptomban, Mezopotámiában, Kínában. A vízimalmok gyorsan terjedtek el a középkorban, majd fokozatosan igénybe vették a vízenergiát bányaszivattyúk, emelőberendezések, különféle nagy erő kifejtését igénylő munkagépek, valamint a kohók fújtatóinak működtetésére. A vízikerék volt a manufaktúrák fő hajtóereje a gőzgép megjelenéséig, az ipari forradalom után azonban teljesen háttérbe szorult. Minőségi változást jelentettek a jó hatásfokú vízturbinák, kezdetben mechanikai hajtásra, később azonban szinte kizárólagosan villamos energia előállítására. A villamosítás első szakaszában úgy tűnt, hogy a vízerőművek alapvető szerepet kapnak a villamos energia előállításában. A kedvező hidropotenciállal rendelkező országok sorra építették ki vízerőműveiket, főleg a nagy esésmagasságot biztosító hegyvidéken. Ahogy a villamos erőátvitel feszültségeit növelni lehetett, az elszigetelt helyi ellátást fokozatosan nagyobb területre kiterjedő kooperáció váltotta fel, ami lehetővé tette a vízenergia elszállítását nagyobb távolságra is. A rohamosan növekvő villamosenergia-igényeket azonban csak néhány kivételes adottságú területen lehetett kizárólagosan a hidropotenciállal kielégíteni (pl. alpesi és skandináv országok), másutt a hőerőművek kaptak domináns szerepet. A második világháború után a vízerőmű-építés üteme – főleg a nyugat-európai országokban – csökkent, mert elfogytak az olcsón kiaknázható legkedvezőbb lehetőségek, egyes országokban a gazdaságosan kiaknázható potenciál nagy részét – Japánban 64%-át, Nyugat-Európában átlagosan 60%-át – kiépítették. A vízerőművek versenyképességét az is korlátozza, hogy a turbinák elérhető egységteljesítménye lényegesen kisebb, mint a hőerőműveké. A mintegy 80m-es esésmagasságig használható Kaplan-turbina – ami a kis esésű vízerőművek tipikus berendezése – 120MW-ig készül, ugyanez a határteljesítménye a 450−2000m-es esésmagasságú erőművek Pelton-turbináinak ( 1.4.11.3.ábra) is. Nagyobb teljesítményt egyedül az 50−450m esésmagasságú tartományra szolgáló Francis-turbináknál ( 1.4.11.4.ábra) lehet elérni, ezek felső határa 1200MW. A vízerőművek részaránya a hatvanas években tetőzött, ekkor ez az energiaforrás a világ primer energiaigényeinek kereken 6%-át elégítette ki. Azóta a vízerőművek részaránya folyamatosan csökken, annak ellenére, hogy több országban hatalmas létesítményeket helyeztek üzembe. Ma a vízerőművek a világ erőmű-kapacitásának alig több mint 20%-át teszik ki, és az említett okok miatt ez az arány a jövőben tovább fog csökkenni. Nem változtat ezen, hogy a tüzelőanyagárak emelkedését követően a vízerőművek megítélése is változott, számos félretett terv minősült újra megvalósításra érdemesnek. Ennek az átértékelésnek figyelmet érdemlő fejleménye, hogy míg korábban a drága, nagy teljesítményű vízerőművek gazdaságosságát alaperőműként való üzemeltetésük biztosítottá, addig a magas tüzelőanyagárak és hőerőmű-beruházási költségek mellett csúcserőműként is gazdaságosakká váltak. Folyamatban van számos nagy vízerőmű kapacitásának jelentős bővítése nagy gépegységek pótlólagos beépítésével, természetesen a csúcsüzemre történő áttérítés ellenében (pl. a legnagyobb észak-amerikai erőmű, Grand Coulee teljesítményét több mint háromszorosára, 10 GW-ra bővítették). A világ legnagyobb teljesítményű erőművei vízerőművek, üzemben vannak 5−6GW-os (krasznojarszki, Szajano-Susenszk-i, quebeci, bratszki, kínai, brazil stb.) létesítmények.

1.4.11.4. ábra Forrás: http://sv.wikipedia.org/wiki/Fi

A nagy esésű erőművek különleges típusát képviselik a szivattyús-tározós erőművek, amikben a vizet a kis terhelésű időszakban szivattyúval nyomják egy felső tározóba és a nagy terhelésű időszakban turbinán keresztül engedik vissza az alsó tározóba. Az eddig megvalósított rendszerekben a felső tározót folyóvölgyekben vagy kedvező adottságú hegytetőkön alakították ki, az alsó tározó pedig duzzasztott folyószakasz vagy tó. Szivattyús tározók a hasznosított energetikai potenciált nem növelik, csupán a hasznosítás időbeli átütemezésére adnak módot, mintegy 150−20% veszteség árán. Ugyanakkor a szél- és napenergia hasznosítása mellett egy rendszerben történő alkalmazásuk mindenképpen szükségszerű. Ez a módszer, amelyik a villamosenergia-rendszer csúcsigényeinek fedezését biztosítja, akkor lehet gazdaságos, ha a szivattyúzási munkát olcsó és felesleges energiahordozóból lehet fedezni, ezért a szivattyús tározók alapüzemben járó szélerőművekhez, nap-, víz- vagy atomerőművekhez kapcsolódva terjedtek el. Jelentősen csökkentette a beruházási költségeket a szivattyú és turbina funkcióját egyaránt ellátó reverzibilis vízgépek megjelenése. A szivattyús tározók a teljesítménygazdálkodás mellett a villamosenergia-ellátás üzembiztonságát is javítják, mert üzemzavar esetén gyorsan indítható tartalékot jelentenek.

Tengeri hullámzás

Ugyancsak visszatérő gondolat a szelek által keltett tengeri hullámzás hasznosítása energiafejlesztésre, ami szintén a napenergia közvetett kiaknázását jelenti. Hullámokkal működtetett berendezésekre nagyszámú szerkezetet szabadalmaztattak, de ipari megvalósításra ezek nem bizonyultak alkalmasnak. A hullámok kialakulásának részletei még több tekintetben tisztázatlanok, a szél hatásán kívül a vízmélységnek is jelentős a szerepe. A vízrészecskék körmozgásuknak és haladásuknak megfelelő kinetikus energiával, valamint a hullámhegy és hullámvölgy szintkülönbségének megfelelő potenciális energiával rendelkeznek. Az elméleti számítások meglepően nagy energiatartalomra vezetnek: 1m hosszú hullámfront teljesítménye 1m-es hullámmagasságnál 1kW, 2m-es hullámoknál 10kW, 5m-es hullámoknál 100kW és 13m-es hullámoknál 1MW nagyságrendben mozog. Az Északi-tengeren például az átlagos hullámmagasság 1,5m, 6s-os periódusidővel. Miután a hullámzás lassan csillapul, a tenger energiatárolóként viselkedik, e kiegyenlítő hatás csökkenti az energiatározás szükségletét. Elvileg a hullám potenciális energiáját (1.4.11.5.ábra) a nyomáskülönbség kiaknázásával lehet hasznosítani, a vízfelszín alatt lebegő berendezésekkel vagy mély vízben haladó hullámoknál a hullámprofil változását követő szerkezetekkel (1.4.11.6.ábra). Ezekben szelepek választják el a különböző nyomású kamrákat, a nyomáskülönbség pedig mechanikai munkát szolgáltat. Ilyen elven működő 100−500W-os áramforrások bóják, világítótornyok ellátására elvétve már üzemben vannak. A körpályán mozgó vízrészecskék kinetikus energiáját olyan aszimmetrikus profilú úszókkal próbálják kiaknázni, amiknek a felső része követi a vízfelszín mozgását, az alsó része pedig a rögzített körpályán elfordul. Az Atlanti-óceánon szerzett tapasztalatok szerint a nyílt tengeren csupán az idő 1%-a hullámmentes, és hasonló időtartamú a túl nagy hullámokat okozó viharos időszak is. Gondot okoz, hogyan lehet a tengeri viharokkal szemben a berendezések épségét biztosítani. Az angol villamosenergia-rendszer nagyszabású kutatási programot indított el a hullámzást hasznosító berendezések fejlesztésére. Az atlanti-óceáni partvidéken ebben komoly energetikai lehetőséget látnak. A fejlesztett villamos energia elszállítása itt is gond, ennek áthidalási lehetőségei között szerepel a tengervízből hidrogén előállítása, illetve urán kinyerése is.

Árapály

A különféle tengeri effektusok közül egyedül az árapály hasznosítására került sor. A vízerőművek különleges típusát jelentő árapályerőművek nem a napsugárzást, hanem a gravitációs energiát aknázzák ki. A Hold és a Nap tömegvonzásának hatására a tengerek szintje ütemesen változik, naponta kétszer apály és dagály alakul ki. A Hold 24 óra 50 perces keringési idejének megfelelően a tenger szintje 12 óra 25 perces ciklusokkal változik. A Hold és a Nap relatív helyzetének változása mintegy 14 napos ciklusidővel a maximumok ugyancsak szinuszos változását okozza. A legnagyobb érték a két égitest tavaszi együttállásakor, a legkisebb az őszi oppozíciójuknál lép fel, e kettő aránya háromszoros értéket is elérhet. A szintkülönbség értékét erősen módosítják a partviszonyok, a beltengerek közepén centiméter, partján deciméter nagyságrendű, a nyílt óceánokon 1m körüli, az óceánok egyes partvidékein viszont − a rezonancia és az öblök tölcsérszerű összeszűkülése következtében − nagy értéket is elérhet. Kanada keleti partján 15−20m-es vízjáték is előfordul, az angol és a francia partvidék egyes pontjain a csúcsérték 14m. A csillagászati adatokból számítva a Földön lejátszódó árapály teljes energiája 2,6−3TW. Energetikailag az apály és a dagály szintje közötti különbség kis esésű vízerőművel hasznosítható. Elvileg már 3m-es szintkülönbséget is lehetne hasznosítani, de a gazdaságos megoldáshoz ennek többszöröse szükséges. Erőmű csak ott valósítható meg, ahol egyrészt az apály és a dagály szintkülönbsége rendszeresen meghaladja az 5−l0m-t, másrészt, ahol tengeröblöket vagy folyótorkolatokat viszonylag kis munkával alkalmassá lehet tenni a szükséges vízmennyiség felfogására. E feltételeknek csak kevés hely felel meg, ezek számbavételével a kiépíthető teljesítményt mindössze 100GW-ra becsülik (3EJ/év). A legnagyobb árapályerőmű 240MW-tal (24´10MW) Franciaországban működik, kisebb erőművek üzemben vannak a volt Szovjetunióban területén és Kanadában. Bár árapállyal működtetett vízimalmok már sok száz éve működnek, és villamosenergia-előállításra már az első világháború előtt is épült kísérleti berendezés, a kiépíthető teljesítmények 1%-a sincs kiaknázva. Ennek okát az aránytalanul nagy beruházási költségben kell keresni, amit a vízépítési műtárgyak kialakításának bonyolultabb feltételei és a sós víz agresszív hatása elleni védekezés eredményez. Emellett másodlagos jelentőségű az az üzemviteli nehézség, hogy a teljesítmény 12órás periodicitással 0 és egy változó maximum között hullámzik, függetlenül a fogyasztói igényektől. Az árapály egyenlőtlensége miatt a rendelkezésre álló villamos teljesítmény is ingadozik. Ezt az ingadozást csökkenteni lehet egy vagy több különböző szintű tározó kialakításával, ami azonban a maximális teljesítmény és az energetikai hatásfok csökkenésével jár. Ha megépül is még néhány tervezett árapályerőmű, ezek csupán alárendelt jelentőségűek lesznek tüzelőanyagot megtakarító létesítményekként.

Megújuló energiaforrások IV.: Szélenergia

Áttételesen a napenergia hasznosítását jelenti a szélenergia felhasználása is. A légkör alsó részét a Föld felszíne melegíti, elsősorban azokkal a kisugárzott infravörös hullámokkal, amelyeket a levegő el tud nyelni. Mivel a felszín hőmérséklet a felszín felépítésétől és az inszolációtól függ, a levegő hőmérsékletének eloszlása időben és térben nagyon változatos, ami a légtömegben sűrűség- és nyomáskülönbségeket hoz létre. E különbségek hatására légmozgások és áramlások alakulnak ki, a hő a levegő mozgási energiájává alakul át. A földfelszín bonyolult felépítésé következtében a széljárás komplikáltan alakul, megkülönböztetnek általános és helyi szeleket, valamint ciklonokat. Az általános szeleket a pólusok és az egyenlítő klímája közötti különbség okozza, rendszerüket a Föld alakja és forgása szabja meg. A talajszinten a pólusoktól az egyenlítő felé és a magasban ellentétes irányba tartó áramlást megszakítják azok az erők, amelyeket a Föld forgása a légtömegekre gyakorol. Ennek következtében az egyenlítőnél, a 30° körüli szubtropikus térrészben (itt vannak a sivatagok) és 50−60°-nál a szubpoláris régiókban szélmentes övezetek alakulnak ki. Az általános szelek ezen övezetek között keletkeznek. Az egyenlítő és a szubtropikus övezet között kialakuló passzátszél meglehetősen egyenletes, 5−6m/s sebességgel fúj évente 290−330napig, legszabályosabban az óceánok felett (az északi féltekén északkeleti, a délin délkeleti irányú). A mérsékelt égövön az általános szél nyugati irányú, de sokkal egyenlőtlenebb, a poláris övezetben pedig keleti irányú. Az általános szélrendszerre helyi szélrendszerek, ciklonok, turbulenciák szuperponálódnak. Az óceánok hőmérséklete sokkal kevésbé követi a téli és a nyári klíma különbségeit, mint a kontinenseké, e differenciákat egyenlíti ki a viszonylag egyenletes monszun (nyáron a tenger felöl, télen a tenger felé fúj). Gyenge légmozgást okoz a pártvidéken a napi felmelegedés változása is, ami nappal a part felé, éjjel a tenger felé fújó tengerparti szelet eredményez (parti szél este és reggel a Balatonon is tapasztalható). Helyi szélrendszer hegyvidékeken is előfordul, a mérsékelt égövön különösen nyáron. A ciklonok a hideg és meleg légtömegek találkozásakor, azok határfelületéről indulnak ki, függőleges tengely körül forgó mozgással. E néhány napos képződmények gyakran több hullámban vonulnak el, sebességük változó, átlagosan 6−9m/s. Hazánk területére leginkább nyugatról érkeznek (1.4.12.1.ábra). A ciklonoknak – főleg a trópusokon – nagyon heves, nagy szélerejű formái (orkán, hurrikán tornádó, tájfun stb.) is vannak.

1.4.12.1. ábra Forrás: http://www.met.hu/

1.4.12.2. ábra Forrás: http://www.vmo.org/

1.4.12.3. ábra

Az áramlás irányát és nagyságát a felszín topográfiája ugyancsak számottevően befolyásolja. A súrlódás a talajszinten turbulenciát okoz, amit még 1km magasságban is érzékelni lehet. Az áramló légtömegek összetétele és állapota sem homogén, ami szintén perturbációk forrása. Mindezek következtében a szél ritkán egyenletes, lökések, ingadozások alakulnak ki. A súrlódás miatt a szélsebesség a talajszint feletti magasságtól is függ, amit az 1.4.12.3.ábra példáz. Asokféle hatás következtében – különösen az olyan fekvésű területeken, mint Magyarország – a széljárás meglehetősen szeszélyes. Az 1.4.12.4.ábra mutatja a szélsebesség éves megoszlását Közép-Európában, a legvalószínűbb érték jó közelítéssel a középérték 0,67-szerese, ami az adott esetben 5,3m/s. A sokéves megfigyelések szerint az évi átlagos szélsebesség Budapesten 1,8m/s, Debrecenben 2,5m/s, Szegeden 2,7m/s, Keszthelyen 3,0m/s, és csupán az ország legszelesebb északnyugati sarkában, Mosonmagyaróváron éri el a 4,9m/s-ot. A havi átlagok 1,5 és 6,0 m/s között ingadoznak, de többnyire 3,0m/s alattiak. Gazdasági megfontolások alapján a szélenergiát ott célszerű kiaknázni, ahol az éves átlagsebesség a talajszint felett 10m magasságban meghaladja a 4m/s-ot.

1.4.12.4. ábra

A szélre merőleges felületre ható szélnyomás a szélsebesség négyzetével, a teljesítmény pedig a harmadik hatványával arányos. Az elkerülhetetlen áramlási és egyéb veszteségek miatt a levegő mozgási energiájának csak egy részét lehet kiaknázni – legcélszerűbben villamosenergia-fejlesztésre.

A legvalószínűbb teljesítményre méretezett szélmotorok energetikai hatásfoka a sebesség függvényében maximumot mutat. A szélmotorok hatásfokának elméleti maximuma Betz-törvény szerint 60%, a gyakorlatban csak 45−50% valósítható meg. A vízszintes tengelyű szélmotorok (1.4.12.5.ábra jobb oldala) már kiforrott rendszerek, 2−8 MW(!) teljesítményű egységeikről sokéves tapasztalattal rendelkezünk. Ugyancsak megoldott az automatikus szabályozás feladata, ami változó szélsebességnél biztosítja a fejlesztett villamos feszültség és frekvencia állandóságát. A fajlagos beruházási költség azonban még tárolás nélkül is magas, ezért beruházási támogatásra van szükség. Fejlesztés alatt áll a függőleges tengelyű megoldás (Darrieus-elv), ami jobban alkalmazkodik a változó irányú szélhez, azonban csak 5m/s felett használható (1.4.12.5.ábra bal oldala).

Gyakorlati okokból a szélmotorok nemcsak szélcsend idején, hanem kis szélsebességnél (a méretezéstől és az automatizáltságtól függően 2,5−5m/s alatt) sem tudnak teljesítményt leadni. Nagy szélsebességnél (15−28m/s felett) biztonsági okokból kell a szélkerekeket leállítani (1.4.12.6.ábra). E korlátokból és a teljesítmény ingadozásaiból következik, hogy a szélmotorokat vagy megfelelő energiatárolással kell párosítani, vagy a közcélú villamosenergia-hálózatba kell a fejlesztett energiát betáplálni. Az utóbbi esetben a szélmotorok csak tüzelőanyag megtakarítást eredményeznek.

Az említett hátrányok miatt a szélmotor csak állandó széljárású, szabad áramlást, és így nagy kihasználást biztosító nyílt területeken, elsősorban a tengerparti övezetekben lehet versenyképes.

1.4.12.6. ábra