1998. július–augusztus

A környezetszennyezés csökkentése
helyi energiatermeléssel

A fenntartható fejlõdés az energetika területén azt jelenti, hogy energiaigényünket a környezet lehetõ legkisebb károsításával kell kielégíteni annak érdekében, hogy mai tevékenységünk ne veszélyeztesse az elkövetkezõ nemzedékek egészséges létfeltételeit. Az e célt szolgáló környezetkímélõ energetikai módszereket három nagy csoportba oszthatjuk: a takarékosság, a megújuló energiák használata és az energiahordozók többszörös (nagyobb hatékonyságú) hasznosítása. A három csoport számtalan módszere közül nagy eredményt várhatunk — többek között — a biomassza energetikai hasznosításától és a hõenergiát is hasznosító helyi erõmûvektõl.

A vezetékes energiahordozók — a földgáz és a villamos energia — jelenleg kevés központból kiindulva terjednek szét az országban. Remélhetõleg azonban rövidesen megindul az energiatermelés az elosztóhálózatok végpontjai közelében, és néhány év múlva visszafelé is fog áramlani az energia a hálózatokon.

1. Energia régen és ma

Életünkhöz többféle energiára van szükségünk. Az elsõ ipari forradalom — a gõzgép felfedezése — elõtt az emberek hõenergia-igényüket megújuló energiákkal elégítették ki, vagyis fával, szalmával fûtöttek, fõztek, sütöttek, és ezekkel is általában csak olyan mértékben, hogy maradt idõ a megújulásukra. Az energia gyakran más formában áll rendelkezésünkre, mint ahogyan használni akarjuk. Az energiát a felhasználás elõtt ezért sokszor át kell alakítani.

Az energia átalakítása a különbözõ formák között különbözõ nagyságú veszteséggel jár. Például mechanikai energiát és villamos energiát veszteség nélkül, 100%-os hatásfokkal tudunk hõenergiává alakítani. Nagyon kicsi, (2-5%) a veszteség, amikor a mechanikai energiát nagy turbógenerátorban alakítjuk villamos energiává. Ezzel szemben az emberi erõvel forgatott kerékpárdinamó a pedálnál betáplált energiának csak törtrészét alakítja villamos energiává.

A Napból érkezõ sugárenergia zöme hõvé alakul a napkollektorokban, de csak 10-15%-a alakul villamos energiává a fényelemben. A Nap energiájának ugyancsak néhány százaléka hasznosul a zöld növényekben lejátszódó fotoszintézis során, amikor a szén-dioxidból cukor keletkezik. A tüzelõanyagok kémiai energiája teljes egészében hõenergiává alakul, amikor kemencében vagy kazánban elégetjük, majd ennek 70-90%-a hasznosul. A hõerõgépek, a gõzgép, a belsõ égésû motorok a hõenergiát mechanikai energiává alakítják. Hatásfokuk kezdetben csak 5-10% volt, de ezt az üzemi hõmérséklet és nyomás növelésével sikerült 30-35%-ra emelni. A hatásfok további növelésének a szerkezeti anyagok hõállósága és bizonyos elméleti korlátok határt szabnak. A mai korszerû hõerõmûvekben a tüzelõanyag energiatartalmának egyharmad részébõl villamos energia keletkezik, kétharmad része kis hõmérsékletû hõenergiává alakul, és ennek zöme haszontalanul szétszóródik a környezetbe.

Környezetünk egyre szennyezettebb

A szennyezés jelentõs részét az energiatermeléssel, -átalakítással és -fogyasztással okozzuk. Szakemberek megállapították, hogy a savas esõ, az erdõpusztulás és egyes betegségek elsõsorban a növekvõ energiafelhasználás következményei. Borúlátó jövõkutatók a világszerte megfigyelhetõ változások alapján azt állítják, hogy a Föld rövidesen alkalmatlan lesz az emberi életre. A derûlátók szerint az életfeltételek sokáig fenntarthatók, de az embereknek gyökeresen meg kell (és meg is lehet) változtatni életmódjukat.

A volt szocialista országok helyzete ebbõl a szempontból is súlyos. Mi elavult berendezésekkel sokkal több energiát fogyasztunk, mint amennyit anyagi helyzetünk megengedne, környezetünket erõsen szennyezzük, így energiafogyasztásunk korszerûsítése sok elõnyt ígérõ, sürgõs feladat.

Honnan származnak a számunkra fontos energiák?

Sok természeti nép tartotta a földi élet forrásának és imádta a Napot. Ma tudjuk, hogy szinte minden energiánk a Naptól származik. A Nap nagy hõmérsékletû gázgömb. A nagy tömeg nagy vonzerõt és nagy sûrûséget hoz létre. Ilyen körülmények között lehetõség van arra, hogy a nehézhidrogén atommagok stabilabb héliumatommagokká egyesüljenek, miközben sok energiát bocsátanak ki különbözõ frekvenciájú elektromágneses rezgések formájában. Az emberiség nagy reménysége, hogy sikerül ezt a termonukleáris reakciót — megszelídített formában — a Földön létrehozni, mert ehhez bõven van üzemanyag, és korlátlanul juthatnánk így energiához. Eddig azonban csak a nagyon pusztító hidrogénbomba az eredmény. A villamos energia elõállítását célzó kísérletek nem jártak eredménnyel, és a szakemberek egyre távolabb tolják a siker becsült idõpontját. Maradunk tehát a több milliárd éve mûködõ Napnál, amelyre még további évmilliárdokig számíthatunk.

A Napból a földre érkezõ sugarak teljesítménye az irányra merõlegesen 1 négyzetméter felületen hozzávetõleg 1,5 kW. A föld egész területére így sokkal több energia érkezik, mint amennyire szükségünk van, de ennek a sugárzó energiának a sorsa igen változatos, és ebbõl egyelõre csak keveset hasznosítunk közvetlenül.

Hogyan keletkezik a Nap közremûködésével
a többi energia?

A napsugarak hatására a föld és a tenger felszínérõl víz párolog el és felhõ lesz belõle, majd ott vagy távolabb esõ vagy hó formájában lehullik.

Az esõ termékennyé teszi a száraz földet. A magasabb helyekrõl lefolyó víz alakítja a föld felszínét, és lehetõséget ad arra, hogy a víz helyzeti energiájából mechanikai, majd villamos energiát nyerjünk.

A szelet a nap úgy hozza létre, hogy a hõsugarak hatására a felszín és a levegõ különbözõ mértékben melegszik fel. A kopár sziklák például gyorsan melegszenek, az erdõk és vizek pedig lassan. A meleg levegõ felszáll, és helyére hideg levegõ áramlik. A Balaton partján megfigyelhetõ, hogy erõs napsütéskor a víz felõl fúj a szél, majd alkonyatkor megáll, és éjszaka a szárazföld felõl fúj.

Ezek fontos, de egyszerû mechanizmusok. Az igazi nagy varázslat a fotoszintézis. A zöld növényekben a kémiai elemekbõl és egyszerû vegyületekbõl (pl. víz, szén-dioxid) bonyolult szerkezetû vegyület (cukor) keletkezik. Ez az alkotórészekkel ellentétben elégethetõ, tehát a nap sugárzási energiája kémiai energiává alakulva beépül, tárolódik az új vegyületben. Ez a vegyi folyamat az alapja minden szerves életnek a földön. Ezekbõl a vegyületekbõl épülnek fel a növények és az állatok. A folyamatosan újratermelõdõ, megújuló szerves vegyülettömeget biomasszának nevezik. A biomassza egy része emberi táplálék, más része állati takarmány, a zöme szerves hulladék, de valamennyi pár év alatt elbomlik, a szén-dioxid nagyrészt visszakerül a légkörbe és a körforgás kezdõdik elölrõl. Évmilliókkal ezelõtt a Föld légkörének összetétele és hõmérséklete kedvezett sok növény keletkezésének. Az elpusztult növények egy része víz alá került, késõbb a föld is betemette, ezért nem tudott elbomlani, hanem elszenesedett, így jöttek létre a kõszén-, barnaszén-, lignit- és tõzegrétegek.

A jelenleg érvényes feltételezés szerint a kõolaj- és földgázkészletek hasonló mechanizmusokkal keletkeztek elhalt állati és növényi szervezetekbõl. További különbség a szén és a szénhidrogének között, hogy a szén ott található meg, ahol keletkezett, legfeljebb egyre mélyebbre került a rárakódó üledékrétegek miatt. Ezzel szemben a folyékony és gáznemû anyagok a lukacsos kõzetben vándorolnak. Jelentõs részük kiszabadult a földbõl, és csak ott maradt a föld alatt, ahol agyagszerû, képlékeny réteg rakódott rá. A gázzáró rétegben kialakult boltozatok, dómok alatt találjuk a szénhidrogéneket, fölül a gázt, alul az olajat.

A villamos energia elõállítása

A mai élet egyik legfontosabb feltétele a villamos energia. Ezt többnyire a hálózatról vásároljuk és igen sok célra használjuk. Sokan fõznek, sütnek, vizet melegítenek vele, és vannak, akik fûtéshez is ezt veszik igénybe. Mindenki árammal mûködteti a háztartási gépeket, a porszívót, a hûtõgépeket stb. Világításra szinte mindig villamos energiát használunk. A mechanikai energiaszükségletünket is gyakran elégítjük ki villanymotorokkal, de a villamos energia az elektronikában a legfontosabb. A telefon, a rádió, és a tv nem mûködne villamos energia nélkül. Magyarország villamosenergia-szükségletének zömét a Paksi Atomerõmû és körülbelül tíz kondenzációs hõerõmû állítja elõ. (Az erõmûvek száma azért bizonytalan, mert jelenleg átszerveznek, összevonnak néhányat.) Pár évvel ezelõtt jelentõs mértékû volt a villamosenergia-behozatal, de a fogyasztás csökkenése miatt a behozatal mértéke erõsen csökkent. A kondenzációs hõerõmûvek kazánjában valamilyen ásványi tüzelõanyag: szén, nehéz fûtõolaj, földgáz elégetésébõl származik a hõenergia. A hõenergia 60-100 bar nyomású, 500-540°C hõmérsékletû vízgõzt hoz létre. A gõz turbinát hajt, a turbina áramfejlesztõ turbógenerátort forgat, és ez állítja elõ a villamos energiát. A munka elvégzése után a turbinából a gõz kondenzátorba kerül, ahol jelentõs mennyiségû hõenergiát, a víz párolgási hõjét, átadja a 60-80°C-os hûtõvíznek, és ismét folyékony vízzé válik. A hõerõmûvek sok mérgezõ anyagot, köztük kén-dioxidot, szén-monoxidot és nitrogénoxidot bocsátanak ki, ezzel károsítva a környezetünket és az emberek egészségét. A füstgáz egy fõ alkotórésze, a szén-dioxid ugyan nem mérgezõ, de az üvegházhatás fokozásával globális felmelegedést okoz, és elõre nem látható módon megváltoztatja az éghajlatot. A széntüzelésû erõmûvek környékén mindent belep az agresszív kémhatású pernye, és a radioaktív sugárzás nagyobb az átlagosnál.

A Paksi Atomerõmû környezetvédelmi és biztonsági szempontból megfelel a nyugat-európai elõírásoknak. Azonban az atomerõmûveknek is számos hátrányuk van: igen magas a beruházási költség, a fûtõanyag kitermelése jelentõs környezetszennyezéssel és egészségkárosodással jár, megoldatlan a már nem használható sugárzó anyagok elhelyezése, nincs megnyugtató megoldás az elavult atomerõmûvek biztonságos és gazdaságos lebontására sem, továbbá nem zárható ki teljesen a sugárzást okozó sérülés vagy üzemzavar. Növeli az atomerõmûvekkel szembeni ellenszenvet a sugárzó anyagok esetleges katonai felhasználásának lehetõsége is.

Milyen lehetõségek vannak az energiával kapcsolatos környezetkárosító hatások csökkentésére?

— A megújuló energiák fokozott hasznosítása.
— Az energiahatékonyság javítása az energiahordozók többszörös hasznosításával.
— Az energiatakarékosság.

2. A megújuló energiaforrások hasznosítása

A napenergia hasznosításának több módja van. A kertészetben jól bevált módszer az, hogy a fagyra érzékeny növényeket üveggel vagy fóliával letakarják. A nap különbözõ frekvenciájú sugarainak zöme átmegy az üvegen, és a talajt felmelegíti. A napnál sokkal kisebb hõmérsékletû talaj csak kisfrekvenciájú sugarakat bocsát ki, de ezeket az üveg, illetve a fólia visszatartja. Ezen a hõcsapda-elven mûködnek a meleg vizet elõállító napkollektorok és a napházak is.

A naphõ hasznosításának másik módja az, hogy a sugarakat több síktükörrel vagy egyetlen parabola profilra hajlított tükörrel összegyûjtik a tükörnél sokkal kisebb felületre. Már az ókorban is így gyújtották meg az olimpiai lángot. Megvalósított kísérleti berendezésekben fémet olvasztanak vagy gõzt fejlesztenek.

A napenergia hasznosításának legkorszerûbb eszköze a félvezetõ anyagból készült fényelem. A legjobb fényelemek nagyon tiszta szilícium egykristály lapokból készülnek. Ezek hátránya, hogy nagyon drágák, és hatásfokuk még így is csak 10-15%. Lényegesen olcsóbb a sokkristályos szilícium fényelem, de ennek hatásfoka csak 8-10%.

A fényelemek nem versenyképesek a hagyományos erõmûvekkel, de vannak nagyon elõnyös felhasználási lehetõségeik. Szinte nélkülözhetetlenek az ûrobjektumok és a hálózattól távol levõ híradástechnikai átjátszóállomások áramellátásában. Kis zsebszámológépekben azért alkalmaznak fényelemet, mert így elkerülhetõ a gombelemek használata, melyek eldobás után mérgezõ anyagokkal szennyezik a környezetet.

A szélenergiát vitorlás hajók mozgatására már több ezer évvel ezelõtt használták az emberek. Több száz éve készítenek szélkereket vízszivattyúzásra és gabonaõrlésre. A szélenergia hasznosítására sokféle szerkezetet találtak ki és valósítottak meg. Ezeket két rendszer szerint csoportosítjuk.

A kerék tengelye és a szélirány viszonya alapján vannak függõleges tengelyû kerekek, ahol a tengely merõleges a szélirányra, és vannak vízszintes tengelyû kerekek, ahol a tengely párhuzamos a széliránnyal. A másik rendszerezés alapja a lambda gyorsjárási tényezõ. A gyorsjárási tényezõ a kerületi sebesség és a szélsebesség hányadosa akkor, amikor a kerék a legjobb hatásfokkal hasznosítja a szél energiáját.

Kialakult gyakorlat szerint a kis gyorsjárási tényezõjû soklapátos szélkerekek vízszivattyúzásra, a nagy gyorsjárási tényezõjû 2-3 lapátos szélkerekek pedig áramtermelésre alkalmasak. Dániában, Hollandiában és Kaliforniában a tengerpartokhoz közel lévõ erõs széljárású területeken már mûködnek nagy szélfarmok, ahol olcsóbban állítják elõ a villamos-energiát, mint a hagyományos erõmûvekben.

Magyarország legnagyobb része a gyenge, egyes területek a közepes széljárású kategóriába tartoznak. Itt vízszivattyúzásra érdemes a szélenergiát használni. Régen a pásztorok húzták fel a vizet a gémeskútból az itatáshoz, ma jármûveken viszik a vizet a vezetéktõl távol lévõ legelõkre. Ennél a megoldásnál olcsóbban lehet a vizet biztosítani az igényekhez méretezett nagyságú, soklapátos szélkerékkel.

A geotermikus energia hasznosításában Magyarország adottságai nagyon jók. Nagy a geotermikus gradiens, vagyis lefelé haladva gyorsan nõ a hõmérséklet, és a szénhidrogénipar jelentõs számú meddõ kutatófúrást, valamint kimerült kutat hagyott maga után, ezek egy részébõl meleg víz nyerhetõ. Hasznosították már eddig is a geotermikus energiát, de még sok a kihasználatlan lehetõség. Föltétlenül meg kell azonban oldani a lehûlt víz visszasajtolását, mert e nélkül sok kútban gyorsan csökken a nyomás, és a felszínen maradt, nagy sótartalmú víz erõsen szennyezi a környezetet.

A biomassza energetikai hasznosítása, a tüzelõanyagok nemesítése

Amióta az õsember a tüzet a szolgálatába állította, a mindig újratermelõdõ szerves anyagok elégetésével fedezte hõenergia-szükségletét. Úgy tûnik, a szén, a kõolaj és a földgáz néhány száz éves elsõbbsége után a biomassza jelentõsége ismét növekedni fog. A körülmények megváltozása elsõsorban a mezõgazdaságot kényszeríti az energetikai szemlélet megváltoztatására. A korszerû módszerek már megjelentek, csak elterjedésüket kellene szorgalmazni.

Magyarországon — nyugati példa alapján — szalmából és fahulladékból préseléssel biobrikettet állítanak elõ. Ez kénmentes, tisztán égõ tüzelõanyag.

Ausztriában és több nyugat-európai országban dízel-motorokban használható üzemanyagot készítenek repceolajból, vegyi átalakítással. Brazíliában a cukornád kisajtolt levébõl erjesztéssel és lepárlással etil-alkoholt készítenek. Ezt részben tisztán, részben benzinhez keverve motorok üzemanyagaként használják. A módszer nem új, hiszen a harmincas évek végétõl Magyarországon is kevertek néhány százalék etil-alkoholt a benzinhez. A termék neve Motalkó volt. Kevés alkohol hozzáadása javította a benzin minõségét, és piacot jelentett a mezõgazdasági termék számára.

Ezen eljárások is gazdaságosak lehetnek. Igazán nagy lehetõség viszont a gáz elõállítása minél több szerves melléktermékbõl és hulladékból. A szétszórtan keletkezõ, nagy tömegû szilárd anyag összegyûjtése és hosszú szállítása drága lenne, ezért célszerû a keletkezés helyéhez minél közelebb végezni az átalakítást.

A földgáz elterjedése elõtt nagyon sok helyen és sokféle technológiával állítottak elõ gázt. A gáz értékesebb, több célra használható energiahordozó, mint a szilárd tüzelõ, amibõl készítik. Az alábbiakban ismertetek néhány gázgyártó eljárást, melyek eredeti, eddig ismert formájukban, vagy átalakítva, esetleg kombinálva, alkalmasak lehetnek a szerves hulladék elgázosítására.

Tûzi gázgyártó eljárások

A világítógázt vagy más néven városi gázt kõszénbõl állítják elõ úgy, hogy zárt kamrában, ún. retortában kívülrõl hevítik. Hõ hatására a szén tömegének jelentõs része elillan. A gázból hûlés közben kátrány és sok egyéb anyag válik ki, melyek a szervesvegyipar fontos alapanyagai. Hasonlóan, száraz lepárlással készítenek üzemi körülmények között fából faszenet. Ez esetben a folyékony termékek között ecetsav és faszesz, azaz metil-alkohol is van.

A generátorgáz-gyártás hasonlít a tüzeléshez. Tüzeléskor a fûtõanyaghoz lehetõleg pont annyi oxigént, illetve levegõt adunk, hogy a szénbõl szén-dioxid, a hidrogénbõl vízgõz keletkezzék. Ha kevés levegõt adunk a tüzelõhöz, akkor a tökéletlen égés következtében a füstgázban szén-monoxid is lesz. Gázgenerátorokban megvalósított tökéletlen égéssel olyan gázt lehet elõállítani, melyben több a szén-monoxid, mint a szén-dioxid. A levegõvel bevitt sok nitrogén miatt a generátorgáz fûtõértéke csak negyede, harmada a világítógáz fûtõértékének, mégis jól használható tüzelõanyag. Az erdei szénégetõ boksákban szintén tökéletlen égéssel készül a faszén, de ott a gáz kárba vész és sok mérgezõ anyaggal szennyezi a környezetet.

Gázgyártás nedves biológiai eljárásokkal

A növényi és állati szervezetek bonyolult szerves vegyületekbõl épülnek fel. Az elpusztult szervezetek hosszú, többlépéses folyamatban bomlanak, végül egyszerû, szervetlen vegyületekké és elemekké válnak. A bomlás végsõ fázisában baktériumok fogyasztják el a maradványokat, és ezek anyagcseretermékei a többnyire gáz alakú egyszerû vegyületek. Vannak aerob baktériumok, melyek oxigén jelenlétében szén-dioxidot termelnek, és vannak anaerobok, melyek oxigéntõl elzárva égõ gázokat, elsõsorban metánt termelnek.

Biogáz üzemi termelésére több technológia ismert. Egyes esetekben nagy baktériumtartalmú, folyékony eleveniszaphoz folyamatosan adagolják a feldolgozandó szerves anyagot. Más esetekben a félszáraz szálas alapanyagokhoz oltóiszapot kevernek, tömörítik és gázzárón letakarják. A gázosodási folyamat hõtermelõ, így a hõszigetelés hatékonyságával biztosítani lehet a baktériumok szaporodásához és anyagcseréjéhez legkedvezõbb, 30-50°Cos hõmérsékletet. Induláskor azonban melegítéssel kell gyorsítani az átalakulást. A több hétig tartó rothasztás, más néven fermentáció alatt a bevitt szerves anyagok gyökeresen megváltoznak. Szinte minden fertõzõ élõ szervezet elpusztul, a szilárd anyagok 20-30 százalékából gáz keletkezik, a megmaradó anyag jó minõségû érett trágya. A biogáz legfõbb alkotórésze a metán, ez a földgázhoz hasonló értékes fûtõanyag. A biogázgyártás nagy elõnye, hogy az értékes termékeket értéktelen, sõt gyakran káros, környezetszennyezõ anyagokból lehet elõállítani.

A kommunális szennyvízzel és a felhígított trágyával azonban van némi gond. Az ülepítéssel, szûréssel vagy centrifugálással elkülönített sûrûbb rész jól feldolgozható, de ezen mûveletek „tisztája" híg ehhez a mûvelethez, de sûrû ahhoz, hogy az élõvizekbe engedjék. Jelenlegi gyakorlat szerint, levegõztetéssel az aerob baktériumokat támogatják, a szerves vegyületek egy részét szén-dioxiddá alakítják, vagyis elégetik. Ettõl a biológiai tisztítástól annyira csökken az oldat szervesanyag-tartalma, hogy már kiengedhetõ a szabadba. Energetikai szempontból azonban ez a mûvelet hasonlít a tarlóégetéshez. Az oxidálásnál elõnyösebbnek tûnik valamilyen növény termesztése a szennyvíztápoldaton. Az így termelt növény erõs fertõzöttsége miatt, valószínûleg még takarmánynak sem lenne jó, de értékes anyag lehet biogázgyártáshoz. Biológusoknak és gazdálkodóknak szokatlan, de érdekes feladat lenne a különbözõ eredetû és összetételû szennyvizeken termeszthetõ növények kiválasztása és a technológia kidolgozása.

3. Az energiahatékonyság növelése

Takarékosságra van szükség az energia termelése, átalakítása és felhasználása terén. Ezt segítheti elõ az energiahordozók többszörös átalakítása is. A kémiai energia és az ebbõl elõállított hõenergia átalakítása mechanikai, majd villamos energiává sok veszteséggel jár. A villamos energia legnagyobb részét kazán, gõzturbina, generátor elrendezésû hõerõmûvekben termelik. A hõenergia 30-35%-a alakul villamos energiává. Az energia kétharmada elvész, sõt további berendezéseket (kondenzátor, hûtõtorony) kell építeni, hogy a kis hõmérsékletû hõenergiától megszabaduljunk.

A mai belsõ égésû hõerõgépekbõl (gázturbina, dízelmotor, gázmotor) és generátorból álló gépcsoporttal is el lehet érni ilyen jó hatásfokot. Az utóbbiak nagy elõnye, hogy a hulladékhõ egy része 500-700°C-on, tehát értékesen lép ki a hõerõgépbõl, szemben a kondenzációs gõzturbina gyakorlatilag használhatatlan, ezért értéktelen 50-70°C-os hulladékhõjével.

Van mód a gõzturbinás hõerõmû hulladékhõjének értékessé tételére is. Az ellennyomásos turbinában csak 150-250°C-ig hagyják a gõzt hûlni, kiterjedni, tehát munkát végezni. Ettõl 6-8%-kal csökken ugyan az áramtermelés hatásfoka, de a hulladék alkalmassá válik a sok hõenergiát fogyasztó üzemek és a távfûtés energiaszükségletének a kielégítésére. A belsõ égésû hõerõgépek melegebb kipufogógáza ennél többre képes.

A ma legkorszerûbb kettõs körfolyamatú fûtõerõmûben a gázturbina kipufogógáza gõztermelõ kazánba jut, a gõz elõször ellennyomásos turbinát hajt, majd távfûtésben hasznosul. Itt a gáz+gõz körfolyamatban az áramtermelés hatásfoka elérheti az 50%-ot, a teljes hatásfok a hõhasznosítással együtt pedig 85-90%-ot. Ez az egyik legjobb példa a korszerû energiatakarékosságra.

A lakott helytõl távol épült nagy hõerõmûvek hulladékhõjét nem hasznosítják, mert a hõenergia szállítása nagy távolságra nem gazdaságos. A fejlett ipari országokban évtizedek óta viszonylag kis, 20-200 MW teljesítményû hõerõmûveket építenek a nagyobb városok és üzemek közelében.

Magyarországon a nagy lakótelepek építésének idején, a rosszabbik példát követve, fûtõmûveket építettek, ahol szén, olaj, illetve földgáz elégetésével vizet melegítenek. Ugyanebben az idõben megszüntették az áramtermelést a sok hõenergiát fogyasztó üzemekben is. Rosszul értelmezett takarékosságból lemondtak az energia kettõs hasznosításából eredõ energiamegtakarításról.

Az elavult fûtõmûvek azonban sorban elhasználódnak. A felújítás során sok helyütt korszerûsítést is terveznek, vagyis áramtermelõ gáz-, illetve gõzturbinát építenek a távhõrendszerekbe.

Az energia kettõs hasznosításának egyik lehetséges módja a távfûtés. Ennek gazdaságossága leginkább a hõfogyasztók területi sûrûségétõl függ. Egymáshoz közel épített nagy lakóházak között rövid az elosztóhálózat, kicsi az építési és fenntartási költség, kevés a hõveszteség, így a távfûtés gazdaságosabb, mint a házanként szervezett központi fûtés. A lakósûrûség csökkenésével drágul a távfûtés.

A kettõs energiahasznosítás másik megvalósítási módja, hogy olyan kis fûtõerõmûveket létesítünk, melynek fûtõteljesítménye egyetlen, vagy néhány nagyon közel épült ház hõenergia-igényét elégíti ki. Ez esetben elmarad a hõenergia költséges szállítása.

A nagyon kis energiaátalakító egységeket, német nyelvterületen „block fûtõerõmûnek" nevezik. Ezek energiaforrása belsõ égésû motor, többnyire dízelmotor, vagy gázüzemû Otto-motor. Néhány gyártó 20 kW és 2 MW közötti villamos teljesítménnyel ajánl egységeket, de a pár száz kilowatt teljesítményûek a legelterjedtebbek. A helyes magyar elnevezés talán motoros fûtõmû lenne, a motoros jelzõbõl következik, hogy a mû hõenergia mellett mechanikai, illetve villamos energiát is termel.

Az ábrán szereplõ motoros fûtõmû hasonlít a motoros áramfejlesztõ gépcsoporthoz, melyet szükségáramforrásként használnak. Két dologban azonban különböznek egymástól. A fûtõmûhöz 2-3 további hõcserélõ is tartozik, melyek közvetítésével a motor hûtõvizébõl, kenõolajából és kipufogógázából a hõenergia átjut a fûtõrendszerbe. A másik különbség az, hogy a szükségáramforrás akkor mûködik, amikor a hálózatról nem lehet áramot vételezni, a fûtõmû pedig akkor, amikor hõenergiára van szükség, és a villamos energiát — közvetlenül vagy hálózat közvetítésével — hasznosítani lehet.




Összehasonlítjuk az energiafelhasználás hatékonyságát a fûtõerõmûvekben és a csak villamos energiát termelõ erõmûben. Az ábra jobb oldala azt az esetet mutatja, amikor hõ- és villamos energiát együtt, kapcsoltan állítunk elõ. A földgázzal bevitt 100 egység energiából 34 egység villamos energia, 53 egység hasznosult hõenergia és 13 egység veszteség keletkezik. A veszteség is hõenergia, de nem oda kerül, ahol szükség van rá, hanem szétszóródik. Az ábra bal oldala azt az esetet mutatja, mikor hõerõmûben állítjuk elõ a villamos energiát, és másik kazánban a hõenergiát. A példában szereplõ nagy, szénnel fûtött, kondenzációs erõmûben valamivel jobb a hatásfok, itt 100 egység bevitt energiából 36 egység villamos energia keletkezik, de ebbõl 2 egység elvész hosszabb szállításkor, és kárba vész 64 egység hõenergia. A másik, hõenergia-igényt kielégítõ kazánban a hatásfok 90%, ezért itt 53 egység hõenergia elõállításához 59 egység energiát kell bevinni, fûtõolajjal. A hagyományos, elkülönített elõállításhoz tehát 159 egység energiát kell felhasználni, a kapcsolt elõállításhoz 59 egységgel kevesebbet. A megtakarítás 59/159*100 = 37%. Ez a megtakarítás a mérettõl független, nagy gázturbinás és kis motoros fûtõmûvekre egyaránt érvényes.

Az energiamegtakarításnál sokkal nehezebb megítélni a gazdaságosságot. A pontos számításhoz ismerni kellene a fûtõanyagok és a villamos energia árát, az erõmûvek építési költségét, élettartamát, az üzemeltetés költségeit, vagyis azt, hogy mennyibe kerül egységnyi villamos energia elõállítása a különbözõ eljárásokkal. Ezeket nem lehet általában meghatározni, mivel mindennek többféle ára is van. Az energiának például világpiaci, nagyfogyasztói, kisfogyasztói, fõvárosi, vidéki ára.

A gondolatmenet bemutatására szolgáló becsléshez az árakat a lakossági gáz- és villanyszámlákról vettük.

A földgáz ára 1998. III. hónapban:
Egységár 0,8330 Ft/MJ
Havi fûtõérték 33,9 MJ/m³
Gázdíj 28,238 Ft/m³
A gáz ára kilowattóra egységre átszámítva 3Ft/kWh

A villamos energia lakossági ára (Ft/kWh):
Nappal 13,50 16,30 19,30
Éjszaka 7,10 7,60 8,00
a fogyasztott mennyiségtõl függõen

A villamos energia nagykereskedelmi átvételi ára 6-10 Ft/kWh között változik, soktényezõtõl függõen.

Az energiaátalakítással kapcsolatos korábbi megfontolásokból tudjuk, hogy a jó hatásfokú erõmûvekben, így a motoros fûtõmûvekben is, egy kWh villamos energia elõállításához három kWh energiatartamú gáz felhasználása szükséges, aminek lakossági ára 9 Ft/kWh.

Nagy teljesítményû motoros fûtõmû (München)

Nagyon gazdaságosnak tûnik a villamos energia házi elõállítása, ha sok nappali lakossági áron vásárolt villamos energiát lehet vele megtakarítani és a hõenergiát gazdaságosan lehet felhasználni vagy eladni. Sokkal alaposabban meg kell a dolgot gondolni, amikor az áramot értékesíteni kell.

A villamos energia termelésének legnagyobb költsége a fûtõanyag (gáz) beszerzési ára, a második jelentõs tétel az átalakító berendezés, az erõmû beruházási és üzemeltetési költsége.

A beszerezhetõ motoros fûtõmûvek teljesítménye és az egy kilowatt termelt energiára jutó fajlagos költsége tág határok között változik. Tájékoztatásul bemutatunk néhány példát:

Nyugat-európai cég egy megawatt villamos teljesítményû motoros fûtõmûvének fajlagos beszerzési ára 90 000 Ft/kW.

Élettartama, két felújítással 3*48 000=144 000 üzemóra, az üzemeltetés költsége 3*35 000=105 000 Ft/kW.

Az összes költség tehát 90 000+105 000=195 000 Ft/kW.

Ezt osztva az élettartammal, a teljes fajlagos költség 1,35 Ft/kWh.

Ugyanezen cég 150-200 kW teljesítményû berendezéseinél a fajlagos költség 3 Ft/kWh.

Egy másik európai cég 70 kW villamos teljesítményû berendezésének fajlagos beszerzési ára 200 000 Ft/kW, élettartama 2*40 000=80 000 üzemóra.

Üzemeltetési költséget nem adtak meg, feltételezetten 200000 Ft/kW, az összes költség tehát 400 000 Ft/kW, a fajlagos költség 5 Ft/kWh.

Ugyancsak európai cég készít személygépkocsi-motorra alapozott 15 kW villamos teljesítményû komplett áram- és hõszolgáltató rendszert. A berendezés fajlagos ára katalizátoros kivitelben 470 000 Ft/kW. Élettartamot nem adtak meg, de a személygépkocsi-motor még több felújítással sem élhet tovább 10 000 óránál, és ez esetben a berendezés fajlagos költsége 50-80 Ft/kWh körül lehet. Ahhoz, hogy a hõ és villamosenergia-termelés családi és kisüzemi méretekben is gazdaságos legyen, csökkenteni kellene a kis berendezések fajlagos árát.

Egy budapesti kisvállalkozás megtervezett, kivitelezett és öt év óta mûködtet egy házi kiserõmûvet. Az áramot és hõt együttesen termelõ berendezés alapja egy használt, de jó állapotban lévõ kétliteres személygépkocsi-motor, benzinüzemrõl földgázüzemre átalakítva. A motor, áttétel nélkül, 1500/perc fordulatszámú aszinkron motor-generátort hajt meg. A fölszabaduló hõt a mûhely és a lakás fûtésére használják. A villamos energia, a kisüzem gépeit hajtja igény szerint, a fölösleget pedig a hálózat veszi át, a villamosenergia-törvény értelmében. A kiserõmû akkor lép automatikusan mûködésbe, amikor a hõhasznosító rendszer hõmérsékletszabályzója fûtésre ad utasítást. A költségek és a haszon elemzése alapján megállapították. hogy a beruházás 2,5 év alatt térült meg.

A motoros fûtõmûvekben használatos motorok többségének alapja valamilyen szárazföldi vagy vízi jármûre kifejlesztett és sorozatban gyártott , majd gázüzemre átalakított benzin- vagy dízelmotor. A feltalálók sok másfajta motort is kitaláltak, leírtak, szabadalmaztattak. Egyes esetekben kísérleti berendezést is sikerült készíteni, de gyártásra nehezen kerülhetett olyan motor, melyet jármûben nem lehetett használni. A motoros fûtõmûben más szempontok szerint kell motort választani, mint jármûben. Célszerû újra megvizsgálni minden régebbi, elvetett elképzelést, mert lehetséges, hogy az új célok és feltételek mellett van jobb megoldás a hagyományosnál. Jármûmotoroknál fontos a kis tömeg, motoros fûtõmûvekben ez nem lényeges, de igen elõnyös lenne egy rázkódásmentesen, csendben mûködõ berendezés, mert ezt el lehetne helyezni akár a lakóházakban is. A jármûmotorok üzemanyaga benzin vagy gázolaj, ezeknek nagy az energiasûrûsége, és könnyen, nyomás nélkül tárolhatók. A motoros fûtõmûvek üzemanyaga többnyire kisebb értékû cseppfolyósíthatatlan gáz, de jó lenne még olcsóbb szilárd tüzelõanyagot használni. Elõnyös lenne, ha hagyományos tüzelõberendezések, kályha, kemence, kazán kiegészítése lenne a motoros fûtõmû motorja. Újra kellene értékelni például a Stirling-féle hõlégmotort, a különbözõ szabaddugattyús motorokat és a gõzgép olyan változatát, ahol a víznél kisebb forráspontú és párolgáshõjû folyadék a munkaközeg. Meg kellene vizsgálni Bánki Donát egyik elképzelését: õ az Otto-motor hatásfokának javítását úgy tervezte, hogy vizet fecskendez a hengerbe. A dízelmotor gyors sikere miatt ezt az elképzelést nem valósította meg. A már felsorolt elõnyök mellett, egyes helyeken további elõnyökre számíthatunk. Néhány példa:

A mûszaki és mezõgazdasági szakembereket képezõ különbözõ szintû oktatási intézményekben az elsõk között kellene motoros fûtõmûveket létesíteni. Itt elõször az oktatók, majd a hallgatók jól megtanulhatnák az új mesterségeket. Késõbb fejleszthetnék és terjeszthetnék az energiagazdálkodás környezetbarát módszereit. Az önkormányzatok mellett mûködõ közüzemekben lehetõség nyílna a szennyvíziszap és a szerves hulladékok hasznosítására. Az itt fejlesztett mechanikai és/vagy villamosenergia közvetlenül felhasználható a szennyvíztavak levegõztetésére, az ivóvíz szivattyúzására és közvilágításra. Olyan intézményeknél, mint kórház, a fegyveres erõk fontos intézményei, bank, rádió- és tv-adók, ahol a biztonság érdekében szükségáramforrást vagy szünetmentes áramforrást szoktak létesíteni, a motoros fûtõmû egyben az áramellátás biztonságát is fokozhatja.

Célszerû oda is motoros fûtõmûvet telepíteni, ahol a hõenergiát több célra is lehet hasznosítani, és a kihasználtság eléri az évi 6-8000 órát. A hõ- és villamos energiát kapcsoltan termelõ fûtõerõmûveket nem szabad a legnagyobb hõigényre méretezni, mert rossz lesz a kihasználtsága. Igen elõnyös összetett megoldás lehet, ha a lakótelep fûtõmûvébe gázturbinát telepítenek, melynek fûtõteljesítménye kielégíti a téli hõigény zömét. A leghidegebb téli napokban kazán adná a csúcsteljesítményt. A gázturbinánál 5-10-szer kisebb teljesítményû motoros fûtõmû adná a hõenergiát egész évben a használati melegvíz-hálózatnak. Minden kapcsolt energiahasznosító rendszert célszerû kiegészíteni melegvíztárolóval, mely néhány órás hõigény befogadására alkalmas, és vízhûtõvel, arra az esetre, amikor a hõ nem hasznosítható. Így a fûtõerõmû jobban alkalmazkodhat a villamos hálózat energiaigényeihez, vagyis nagyon megbecsült csúcserõmû is lehet.

A szerves hulladékoktól az emberek eddig gyakran környezetszennyezõ módon szabadultak meg. Ezután gondosan összegyûjtenének mindent, amibõl gázt és áramot lehet fejleszteni. Ez a feladat sok embernek adna munkát, különösen kezdetben.

A jelenlegi körülmények között az ország erõmûveit ki kellene egészíteni drága füstgáztisztító berendezéssel, és néhány éven belül nagy alaperõmû építésére is szükség lehet. Mindez nagy teher a nemzetgazdaságnak. A nagy állami kiadások több évre elhalaszthatóak lennének a fûtõerõmûvek gyors terjedésével. A különbözõ nagyságú fûtõerõmûvek létesítése nem terhelné a költségvetést, mivel ezek viszonylag gyorsan megtérülõ vállalati és magánberuházásként is megvalósulhatnak. A gazdaságot javítja, hogy erre a célra elõnyös kamatozású kölcsönt lehet felvenni, és a berendezés lízingelhetõ tõkeerõs nyugati cégektõl. További elõny, hogy az átlagosnál így olcsóbb hõenergia csökkenti a termelési költséget, elsõsorban a mezõgazdaságban és az iparban. A biogáz termelésekor nagy mennyiségû értékes szerves trágya is keletkezik. Ezt hasznosítva, a mûtrágyamentes biotermesztés révén növekszik a termék értéke.

Kis hõmérsékletû energia hasznosítása

Korábban volt arról szó, hogy a nagy hõerõmûben a hõenergia 50-70%-a nem értékes. Máshol a sokkal kisebb hõmérsékletû is érték. Virágzó gyümölcsfát megvédhetünk a fagyástól úgy, hogy 5-10°C-os vizet permetezünk rá. A víz ugyan megfagy, de a fagyáskor hõ szabadul fel, ami nem engedi a növényt 0°C alá hûlni. Fóliasátrat is lehet fagymentesíteni két réteg között csörgedezõ hideg vízzel. Hõenergiát lehet kivonni és hasznosítani az elfolyó szennyvízbõl, a szellõzéssel kiengedett levegõbõl, a frissen fejt tejbõl, de itt mindenhol igaz, hogy a hõ csak a melegebb helyrõl a hidegebb helyre megy magától, ezért a felmelegített közeg mindig hidegebb, mint a lehûtendõ.

A hõszivattyú is alacsonyabb hõmérsékletû hõenergiát hasznosít. A hûtõgép hidegebb helyrõl, például a hûtõszekrény belsejébõl hõt von el, és a melegebb környezetnek adja le. A kompresszoros hûtõgépben villanymotor forgatja a sûrítõt, ami átszivattyúzza a hõt a melegebb helyre. Adott mechanikai energiával annál több hõt lehet átvinni, minél kisebb a hõfokkülönbség. Svédországban néhány évvel ezelõtt nagy hõszivattyús fûtõrendszert létesítettek. A hõt a tenger 0-10°C-os vizébõl vonják ki és a közeli épületek fûtésére használják. Így adott mennyiségû mechanikai vagy villamos energiából több hõt lehet nyerni, mint villamos fûtéssel.

A nagy teljesítményû hûtõgépek és fûtõ hõszivattyúk munkaközege többnyire ammónia. A hõszivattyú különösen akkor gazdaságos, ha egyidejûleg akarunk fûteni és hûteni. Például mûjégpályán a fagyasztáshoz elvont hõvel uszoda vizét lehet melegíteni. A hulladékhõ hasznosításához szükséges hõcserélõk és hõszivattyúk sajnos elég drágák. Így ezek beszerzése csak bizonyos energiaár fölött térül meg elfogadható idõn belül.

4. Javaslatok

Az energiafogyasztással kapcsolatos környezetkárosítást csökkenthetjük a megújuló energiák fokozott hasznosításával, takarékossággal és az energiatakarékosság egyik módjával, az energiahordozók többszörös hasznosításával.

A környezetkárosítás megállításában és az eddigi károk kijavításában azonban csak akkor érhetünk el jelentõs eredményt, ha sikerül a közgondolkodást és az emberek viselkedését megváltoztatni. Mi környezetkímélõ megoldásokat ajánlunk mindazoknak, akik nemcsak bírálni, hanem tenni is akarnak a környezetért.

A teljesség igénye nélkül néhány javaslat:

— Takarékoskodjunk szinte mindennel! Amikor többet nem tehetünk, oltsuk el a felesleges lámpákat!
— Alakítsuk át fûtõrendszerünket, szereljünk fel szabályzó- és mérõelemeket!
— Csökkentsük a fûtés erõsségét! Javítsuk az épületek hõszigetelését, az ajtókra, ablakokra szereljünk légelzárót!
— A gáztûzhelyen a láng ne lógjon ki az edény alól, csökkentsük a lángot, amikor az étel felforrt.
— Vásárláskor úgy is takarékoskodjunk, hogy az ételt, italt vásároljuk papírba, vagy visszaváltható palackba csomagolva, mert az eldobható ún. egyutas, mûanyag és fémcsomagolás gyakran többe kerül, mint ami benne van, és használat után eldobva szennyezi a környezetet.
— Csökkentsük utazásaink hosszát; ha lehet, utazzunk közhasználatú jármûvön!
— A háztartási, mezõgazdasági és ipari — szilárd, valamint folyékony — hulladékokat, szemetet gyûjtsük elkülönítve! Ezekbõl minél többet hasznosítsunk újra!
— Használjunk és készítsünk energiatakarékos berendezéseket!
— Korszerûsítsük gyártóeljárásainkat! Törekedjünk anyagtakarékos, energiatakarékos és hulladékszegény eljárások alkalmazására!
— Takarékoskodjunk az energiahordozókkal, tüzelõanyaggal, üzemanyaggal úgy, hogy minél több hõenergia-igényt elégítsünk ki a villamosenergia-termelés elkerülhetetlen veszteség- vagy hulladékhõjével.
— Növeljük a kapcsolt energiahasznosító berendezések kihasználtságát, és rövidítsük megtérülési idejét azzal, hogy nemcsak téli fûtésre használjuk a hõenergiát, hanem más évszakokban és más célokra is. Egész évben hasznosítható a hõ például sütésre, fõzésre, lepárlásra, mosogatásra, fürdésre, terményszárításra, baromfikeltetésre, biogáztermelésre, abszorpciós hûtõgép mûködtetésére.

A nemzetgazdaság érdekében helyesnek tartanánk, ha a fosszilis tüzelõanyagok felhasználását termékdíj drágítaná, és az így keletkezett bevételt a költségvetés az energiarendszer korszerûsítésére és a rászorulók támogatására fordítaná.

Dr. Mucsy Endre

Ez a cikk a Technika magazin 1993. októberi számában megjelent írás kibõvített és naprakészre hozott változata.