A kőolaj fényes karrierje III.
2013/1-2. lapszám | VGF&HKL online | 3523 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Cikksorozatunk befejező részében a kőolaj helyett inkább a jelen és a jövő alternatíváit vesszük górcső alá.
Atomenergia
Mivel a dolgok jelenlegi állása szerint az atomenergia igénybevételére rövid és hosszú távon egyaránt szükségünk lesz a jövőben is, ezért tekintsük át, hogy is állunk a nukleáris energiával.
1945-ben a második világháborút (olajháborút) lezáró Japánra ledobott két amerikai atombomba tudatta a világgal az atomenergia létezését. Kétségkívül nagyon rossz bemutatkozás volt. Némileg érthető, hogy az emberek széles tömegei a későbbiekben az atomenergia békés célú felhasználásával szemben is némi félelemmel vegyes ellenszenvvel viseltettek. Nem erősítette a belé vetett bizalmat Csernobil sem 1986-ban és Fukushima sem 2011-ben. Mindezen nagy publicitást kapott balesetek ellenére az atomerőművek nem tartoznak a legveszélyesebb üzemek közé. Az energiaiparban több felmérés készült már arról, hogy az egyes energiahordozók bázisán megtermelt energia mekkora kockázattal, mennyi halálos balesettel járt, figyelembe véve az adott technológia teljes folyamatát. A bányászattól az erőműveken át a hulladékkezelésig végigkísérve a folyamatot, kitűnik, hogy az olaj- és szénfelhasználás okozta a legtöbb halálesetet. A társadalom egy része ma is ellenszenvvel viseltetik az atomenergia iránt. Olyan ez, mint a komplex szám: van egy valós és egy képzetes része. Valós része az objektív kockázat, képzetes része pedig a tárgyra kivetített irracionális szorongás. A ritka, de súlyos atomerőművi balesetek ellenére az atomenergia biztonságosnak mondható, azt pedig tudomásul kell vennünk, hogy életveszélyes üzem.
A 2011-es fukushimai baleset után Németország vezető politikusai populista népszerűséghajhászattól vezetve minden szakmai alapot nélkülöző bejelentést tettek, miszerint 2022-ig véglegesen lemondanak az atomenergia alkalmazásáról. Nemrég Svájc is az atomenergia feladása mellett döntött. Jelenlegi öt atomerőművük a villamos energia 40%-át állítja elő. Számos más ország, mint Oroszország, USA, Kína, India, Dél-Korea, Finnország, Csehország kiáll az atomenergia alkalmazása mellett. Felismerték, hogy az atomenergia okozta kockázat még elfogadható, a vele járó problémák kezelhetők, és ezek még mindig kevesebbet nyomnak a latban, mint az a kár, amit mellőzésük okozna. Reálisan nézve jelenlegi tudásunk szerint nem lehetséges az atomerőművek megújuló energiaforrásokkal való kiváltása. Ez csak illúzió. Az atomenergiáról lemondó országok újra nagyobb arányú fosszilis energiahordozó-felhasználást, illetve szén-dioxid- és egyéb károsanyag-kibocsátást lesznek kénytelenek vállalni. Miután belátható időn belül a villamosenergia-termelésből nem lehetséges az atomenergiát kizárni, egyet tehetünk: még tovább fogjuk növelni az atomerőművek biztonságát, a hulladékkezelést is beleértve, valamint újabb nukleáris technológiák után kutatunk.
1955-ben, az I. Genfi Atomenergia Konferencia idején az atomenergia békés felhasználását csupán a Szovjetunió-beli Obnyinszkban működő, 1954-ben üzembe helyezett egyetlen 5 MW-os atomerőmű képviselte. Az atomerőművek lehetséges típusainak sokfélesége és a tapasztalatok hiánya miatt akkor még nem lehetett kiválasztani a legtöbbet ígérő típust. A vezető hatalmak különböző típusú ipari méretű atomerőművek tervezésébe kezdtek. 1958-ban, a II. Genfi Konferencia idején már a működő atomerőművek összteljesítménye 185 MW volt. 1975-ben a világ 19 országában működött atomerőmű 70 000 MW összteljesítménynyel. Ma a világon működő atomerőművek száma 444 körül van.
Az atomokban lakozó energiát alapvetően kétféle módon lehet kinyerni: az atomok hasításával (fisszió) és egyesítésével (fúzió). A ma működő atomerőművek mindegyike fisz-sziós erőmű, üzemanyaguk az urán 235-ös izotópja. A villamosenergia-rendszer üzemvitele szempontjából alapvetően fontos jellemzőjük, hogy teljesítményük csak nagyon szűk határok között vagy egyáltalán nem változtatható. Ez azt jelenti, hogy nem képesek rugalmasan követni a terhelés változásait, ezért a jelenlegi atomerőművek ún. alaperőműként funkcionálnak, a terhelés változásait az ún. csúcserőművekkel kell kiszabályozni, amelyek jelenleg fosszilis erőművek. A jelenlegi urán üzemanyagú atomerőművek teljesítményaránya a villamosenergia-rendszerben nem lehet több, mint a terhelési völgy teljesítményigénye, ami azért kellemetlen, mert így nem használható ki eléggé az atomerőmű viszonylag olcsó energiája. Ezen a problémán várhatóan segíteni fog a tórium üzemanyagú erőművek elterjedése, amelyek már képesek lesznek rugalmasan követni a terhelés változásait, továbbá az ismert biztonsági kockázatok kisebbek. Az uránium üzemanyagból rendelkezésre álló mennyiség 80-100 évre elég, tóriumból több ezer évre elegendő mennyiség található a Földön.
A tórium üzemanyagú atomerőművek a közeljövő nagy reménységei, alkalmasak lesznek a földgáz és gázolaj üzemű csúcserőművek kiváltására, de még nem jelentik „A MEGOLDÁS”-t.
Megújulók
A szélerőművek, fotovoltaikus naptelepek, termikus naperőművek és egyéb megújulók energiájának fogadására szabályozási problémák és az üzemviteli sajátosságok miatt a villamosenergia-rendszer csak korlátozottan képes. A megújuló energiaforrások tehát nem lesznek képesek a villamosenergia-rendszerbe bizonyos aránynál többet betáplálni, de szigetüzemben is jól hasznosíthatók. Jelentős szerep jut majd a néhány kW teljesítményű, naptelepből és szélgenerátorból álló hibrid mikroerőműveknek.
Más források
A kőolaj árának növekedésével érdemes lesz a szintetikus üzemanyaggyártásra ráállni, részben benzin-, gázolaj- és kerozingyártásra, valamint új üzemanyag-komponensek felhasználására. Ilyen új anyag lehet a gamma-valerolakton, a dimetil-éter és a dimetil- furán. A XXI. század olyan technológiákat adott a kezünkbe, melyek lehetővé teszik, hogy hulladékból vagy bármilyen széntartalmú anyagból üzemanyagot, villamos energiát és/vagy távhőt (hőenergiát) állítsunk elő. Ezek a technológiák már itt vannak, kopognak az ajtón, be kéne őket engedni.
Az etanolt mint üzemanyag-komponenst pedig el kell felejteni, akár bio, akár nem. Valóban csökkenti a motorok károsanyag-kibocsátását valamelyest, ez a csekély előnye azonban túlságosan sokba jön nekünk, ha mindent összeszámolunk. Az ún. első generációs bioetanol energiamérlege negatív, ami azt jelenti, hogy ha az előállítással, szállítással és a föld használatával kapcsolatos energiafelhasználást kiszámítjuk, kiderül, hogy több energiát fektettünk bele, mint amennyit kinyerünk. Az etanol energiasűrűsége egyébként is gyenge, 29 000 kJ/kg, a benzinének 66%-a. A termesztéshez, szállításhoz használt gépek pedig több káros anyagot bocsátanak a levegőbe, mint amennyit az etanol komponens használatával megtakarítunk. Az etanol és a biodízel nem kiút, hanem zsákutca, több kár van belőle, mint haszon. Ha már egyszer energiahordozóként akartuk használni, vajon miért nem energiamérleg-készítéssel kezdtük?
Ha az negatív, attól kezdve bármilyen gazdasági kalkuláció értelmetlen. Kellő felületességgel, az externális hatások figyelmen kívül hagyásával persze bármiről ki lehet mutatni, hogy gazdaságos, ha azonban a valóságra vagyunk kíváncsiak, akkor az energiamérleget nem lehet megkerülni. Az Európai Unióban a bioüzemanyagok termelésébe a különböző befektetők összesen kb. 17 milliárd eurót fektettek, ők bizonyára nehezen fogják tudomásul venni, hogy rossz lóra tettek. A cukornád energianövényként való termesztése esetleg pozitív energiamérleget ad, de Magyarországon és Európában ehhez a feltételek nem igazán kedveznek. A termőföld élelmiszertermelésre való.
Az Európai Bizottság támogatja a szintetikus üzemanyagok fejlesztését és használatát. A korszerű szintetikus üzemanyagok kőolajszármazékokkal azonos energiasűrűség mellett tiszta üzemet biztosítanak a belsőégésű motorok számára, nem tartalmaznak nitrogént, ként, aromás vegyületeket, szilárd részecskét alig, melyek a nem kívánatos kipufogógáz-összetevők fő alkotói. Az Egyesült Államokban, Német-országban, Indiában, Kínában a szintetikus üzemanyaggyártás reneszánszát éli, a Shell például 2006 óta Malajziában működtet szintézisüzemet.
A közlekedési szektor kőolajtól való átvezetését a szintetikus üzemanyagok használatához több lépésben ütemezve kell majd elvégezni, hasonlóan ahhoz, ahogy az etanol bevezetését tervezte az EU. Az idővel és a költségekkel való versenyfutásnak egy hatásos eszköze lehet a különböző hatásmechanizmusokkal működő fogyasztáscsökkentő üzemanyag-adalékok használata, amelyek azonban keresztezik a gyártók és forgalmazók érdekeit. Ha például egy olajvállalat évi 20 millió tonna kőolajat dolgoz fel, és ebből 12-15 millió tonna motorhajtóanyagot állít elő, vajon mennyi árbevétel-kiesése származik, ha az adalékok használatával a fogyasztók 10%-ot megspórolnak? Ez a több millió tonnás kérdés.
Az ajtón kopogtató két új technológia a TCG (Thermo Chemical Gasification) és a Plazma Energiás Pirolizis Rendszerek (PEPS). Engedjük be őket. Alkalmasak szemétből, műanyaghulladékból, autógumiból, szennyvízből szintézisgázt, folyékony üzemanyagot, villamos energiát előállítani. A Földön a fotoszintézis eredményeként évente 170 millió tonna biomassza képződik, ebből gamma-valerolakton is gyártható, és üzemanyag-komponensként felhasználható.
A köznyelvben szokás az egyéb energiatermelési módokat alternatív energiákként vagy alternatív energiaforrásokként emlegetni, de ez az elnevezés helytelen, mert egyik lehetőség sem nyújt valódi alternatívát az emberiség számára. Találóbb, ha a látszólagos alternatívákat átmeneti megoldásoknak nevezzük.
Az emberiség második tűzgyújtása
Az ókori filozófusok úgy gondolták, hogy a világmindenség négy őselemből áll: földből, vízből, levegőből és tűzből. A természettudományos megismerés eredményein megittasodva aztán elnéző mosollyal siklottunk el a világ e kezdetleges felosztása fölött. A jól értesültek fölényével konstatáltuk, amit ma már tudunk, hogy e négy őselem egyike sem elem a szó kémiai értelmében. Ha azonban egy logikai bukfencet vetünk, és kiabsztraháljuk a négy őselemből mindazt, ami közös, akkor rájövünk, hogy a bölcseknek igazuk volt. A föld, víz, levegő és tűz a négy halmazállapot megtestesítője. Amíg csak a szilárd, folyékony és gáz halmazállapotot tartottuk az anyag megjelenési formáinak, addig a tüzet oda nem illő kakukktojásnak éreztük. Ma már tudjuk, hogy a plazma az anyag negyedik halmazállapota, egyúttal természetes állapota, és a tűzben plazmaállapotú anyag is jelen van.
A plazma kifejezést először Irving Langmuir használta 1928-ban. Az egyik folyóirat cikkében találkozhatunk ezzel az elnevezéssel. Dolgozatában a kisnyomású gázokban és higanygőzben kialakuló folyamatok jellegzetességeivel kapcsolatos vizsgálatait ismertette. Az 1920-as években a Generel Electric Kutatólaboratóriumában (és Budapesten az Egyesült Izzóban is) kutatások folytak az izzólámpáknál jobb hatásfokú fényforrások kifejlesztésére. Ezeknek és a németországi kutatásoknak eredményeként született meg a ma ismert fénycső és a már elfelejtett higanygőz egyenirányító. A higanygőz-kisülés elemzésekor Langmuir különös tulajdonságúnak találta a két elektród közötti tér közegét. Ezt a szokatlan tulajdonságú közeget nevezte el plazmának. Napjainkra a plazma szó a fizikában alapvetően fontos és egyértelmű kifejezésként honosodott meg, egy különleges halmazállapot megjelölésére szolgál. A plazmaállapot érdekes tulajdonságai a későbbiekben egy új, sokat ígérő energiatermelési mód szempontjából kulcsfontosságú szerepet kaptak.
1919-ben egy amerikai csillagász, Henry Russel matematikailag leírta azt a folyamatot, amelynek során a nap hidrogénatomjai egyesülnek, és ennek eredményeképpen héliumatomok jönnek létre, óriási mennyiségű energia felszabadulása mellett. Elméletét 1920-ban Francis Aston csillagász mérései megerősítették.
1938-ban Hans Bethe és Carl Friedrich von Weizsacker német fizikusok tovább vizsgálták a folyamatot. Bethe részletes matematikai levezetéssel leírta, hogyan lehetne a folyamatot földi körülmények között megvalósítani, és fúziós reaktort létrehozni. Bethe számításai szerint a hidrogénatom hőmérsékletét 100 millió °C fölé kell emelni, és olyan kis térrészbe összenyomni, melyben a hidrogén elektronpályái felszakadnak, és egy új rendben, héliumként állnak össze. Az új rend szerint összeállt anyag energiatartalma kisebb, mint a kiindulási anyagé, az energiaszint- különbség pedig kinyerhető és hasznosítható. Ez a termonukleáris magfúzió elve.
A héliumatomok szintézise közben felszabaduló energia több milliószorosa a hidrogén vagy szén elégetéséből kinyerhető energiának. A napban végbemenő atomfizikai folyamatokat a természettől ellesve megszületett a felismerés, hogy ha sikerülne azokat földi körülmények között, szabályozott és ellenőrzött módon, erőművekben megvalósítani, akkor az emberiség hosszú távon fenntartható, gyakorlatilag kimeríthetetlen energiaforráshoz jutna. A fúziós erőműnek az összes létező energiatermelési módhoz képest csak előnyei lennének, mégpedig:
- nem okoz savas esőt,
- nem bocsát ki üvegházhatású gázokat,
- nincs megfutási veszély,
- nem okoz környezetszennyezési problémákat,
- nincsenek fegyvergyártásra felhasználható melléktermékei,
- emberi léptékben mérve korlátlan menynyiségű üzemanyag áll rendelkezésre.
Egyetlen hátránya az, hogy még nem létezik
A magfúzióban hatalmas lehetőségek rejlenek, de a hatalmas lehetőségek előtt hatalmas akadályok tornyosulnak, melyeket 60 éve még csak nem is sejtettek. Az első felmerülő probléma, hogy a reakció kivitelezé- séhez reakciótérre van szükség, de nem létezik olyan anyag, amely a szükséges magas hőmérsékletet kibírná. Meg kell oldani továbbá a különböző instabilitások csökkentését, a sugárzási és egyéb veszteségek lényeges korlátozását, a reakciótérbe kerülő szennyeződések eltávolítását, hogy csak a leglényegesebbeket említsem.
A második világháború után, a hidegháború gyanakvó légkörében a magfúzió megvalósítását célzó kutatások párhuzamosan, de egymástól elszigetelve folytak az Egyesült Államokban és a Szovjetunióban. A kétpólusú világrendben az atomenergiával kapcsolatos kutatások titkosak voltak, az első tíz évben a békés célú kutatások is.
1948-ban a Princeton Egyetemen Dr. Liman Spitzer létrehozta a Plazmafizikai Laboratóriumot. Hamar rájött, hogy a reaktortérben az anyagokat mágneses térrel tudja kordában tartani. 1951-ben Stellarátornak elnevezett berendezésével megvalósította a hidrogénplazma fúziós reakcióját. Első alkalommal csupán a másodperc törtrészéig működtette a berendezést, mert nem volt biztos benne, hogy nem fog hidrogénbombaként felrobbanni. Egy dicsőséges fél másodpercre a hidrogénplazma szupernovaként ragyogott fel, és hőmérséklete elérte a 40 millió 0C-ot. A 60 cm átmérőjű berendezés 2 másodpercig működött, majd leállt, és kihűlt a plazma. A kísérlet megmutatta, hogy az elméleti számítások helyesek, és a termonukleáris magfúzió földi körülmények között megvalósítható.
Az első együttműködésre 1955-ben került sor, amikor a United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy Genovában ezt lehetővé tette. A folyamatos fejlesztések során a Stellarátort az idő túlhaladta, és Moszkvában a Kurcsatov Intézetben Lew Artsimovics vezetésével megépítették az első TOKAMAK elnevezésű szerkezetet. A kedvezőbb geometriájú TOKAMAK-kal folytatott kísérletek 1956-ban kezdődtek. Az elnevezés az orosz Toroidalnaja Kamera v Magnyitnich Katuskah kifejezés rövidítése. Magyarul: tóruszkamra mágneses tekercselésben. Legsikeresebbnek a T4 bizonyult, amellyel 1968-ban Novoszibirszkben először állítottak elő kvázi-stacionárius termonukleáris fúziót. A szovjet tudósoknak 1000 eV fölötti energiaszintet sikerült elérniük a TOKAMAK szerkezetben.
A TOKAMAK az eddigi legsikeresebb mágneses összetartású fúziós berendezés-konfiguráció. A még nem látott újabb és újabb nehézségek, valamint a kezdeti sikerek optimista elképzeléseknek adtak alapot. Olyan túlzottan bizakodó jóslatok láttak napvilágot a magfúziós erőművek gyors megvalósítását illetően, mint például I. Ny. Golovin professzornak, a Kurcsatov Intézet egyik igazgatójának prognózisa. Véleménye szerint az 1970-1975 közötti időszak csupán az addig elért eredmények és kudarcok részletekbe menő elemzésével, felülvizsgálatával fog eltelni. Bebizonyosodott ugyanis, hogy teljes revízióra van szükség. Hogy ez a felülvizsgálat a hatékonyan folyó nemzetközi együttműködés ellenére is milyen hatalmas volumenű lehet, azt jól jellemzi az a tény, hogy Golovin mintegy 10 millió dolláros felülvizsgálati költségekkel számol ebben az időszakban. A második időszak 1985-ig tart, 10 évet ölel fel. Ez alatt történik meg – a várakozások szerint – a felülvizsgálatok eredményeként a kialakított kísérleti fúziós berendezés félüzemi szinten való kipróbálása. A költség-ráfordítás feltehetően mintegy 100 millió dollárra rúg majd.
A harmadik időszak 1985-től 1995-ig tart. Ez alatt kerülhet sor az első kommersz fúziós erőmű prototípusának kipróbálására. Ezzel egyidejűleg már bizonyára megkezdődik a szükséges konstrukciós, gyártási és üzemeltetési technológiák lefektetése, valamint befejeződik a szabályozó és ellenőrző rendszerek tökéletesítése. A szóban forgó időszak kutatási és fejlesztési költségei elérik majd a 200 millió dollárt.
Golovin szerint a negyedik, záró időszak mindössze öt évet ölel fel, és a 2000. esztendővel fejeződik be. Ebben az időszakban már nemcsak az erőmű prototípusa készül el, hanem kereskedelmi forgalomba is kerülnek az üzembiztos, gazdaságos fúziós erőművek, járulékos egységeikkel együtt.
Golovin professzor előrejelzését az 1960-as évek végén a szakemberek reálisnak és mértéktartónak ítélték. A kőolaj esetében viszont már láttuk, hogy jósolni nehéz dolog.
A finanszírozó országok gazdasági nehézségei ellenére a világ első fúziós atomerőműve már épülőfélben van. A Nemzetközi Kísérleti Termonukleáris Reaktor a dél-franciaországi Cadarache városban épül 2008 óta. A projekt deklarált célja, hogy „bizonyítsa a fúziós atomenergia békés felhasználásának tudományos és technikai kivitelezhetőségét”.
Az ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) 1985-ben alakult az Európai unió, az Egyesült Államok, a Szovjetunió és Japán együttműködésével. Az évtizedek alatt a tagországok tekintetében több változás történt, a Szovjetunió jogutódja Oroszország lett, és 2005-ben belépett Kína és Dél-Korea. A projekt költségvetését 2005-ben 5 millió euróra becsülték, mára meghaladta a 16 milliót. Az első plazmareakciót 2018-ra tervezik, a projekt futamideje 30 év, melyből 10 év az építés.
Noha az ITER már képes lesz legfeljebb 400 másodpercig 500 MW teljesítménynyel villamos energiát előállítani, csak kutatási és demonstrációs célokat fog szolgálni. A projektben a Magyar Euroatom Szövetség keretében magyar szakemberek is részt vesznek.
Az angliai Culhamban megépített JET (Joint European Torus) a második legnagyobb kísérleti berendezés a világon. A kísérleti üzem 1983-ban indult, 1997-ben termelt először energiát, 1997-ben 16 MW teljesítményt értek el vele. 2006-ban kezdődtek a plazmakísérletek, 2009-ben felújítás és átalakítás céljából leállították. A JET eredetileg hidegfúziós reaktor volt, mely technológia az atommagok egyesítésének másik módja. Az ITER-hez hasonlóan berillium-wolfram béléssel látják el a reakciókamra falát, összesen mintegy 86 000 elemet cserélnek ki benne, így teljesítménye várhatóan 50%-kal nő. A kísérletek újraindítását 2015-re tervezik.
Az első iparilag hasznosítható, energiát előállító fúziós atomerőmű, a DEMO a tervek szerint 2050 körül készül el, és 2000 MW teljesítménnyel fog villamos energiát termelni. Amikor ez megvalósul, akkor elmondhatjuk, hogy valóra vált a mondabeli Prométheusz nagy tette: az ember elragadta a Nap öröktől fogva izzó tüzét, hogy az égtől függetlenül saját javára fordítsa. Ez lesz az emberiség második tűzgyújtása. További 30 évre lesz szükség a fúziós erőművek elterjedéséhez.
A kőolaj közben tisztességben megöregedve, megfonnyadva, de egyáltalán nem biztos, hogy csendben, feltűnés nélkül levonul a színpadról, és fokozatosan átadja helyét a szintetikus üzemanyagoknak. Az energia- és nyersanyaghiány, a környezetszennyezés, a túlnépesedés ugyanannak az egyenletnek a változói. Vajon hogy oldjuk meg?
