Energiatermelés és -felhasználás a századfordulón
Dr. Pethõ Szilveszter, Petrasovszky István
A szerzõk bemutatják és értékelik a világ energiafelhasználását a századfordulón, és várható alakulását a 21. század közepéig. A bemutatás és az értékelés kiterjed a fosszilis energiaforrásokra, ezen belül az olaj, a földgáz és a szén várható szerepére. A cikk több véleményt ismertet az atomenergia-hasznosításról, és annak társadalmi megítélésérõl. A megújuló energiák közül elsõsorban a szélerõmûvek gyors elterjedését ismerteti.
The authors present and analyse the World’s energy consumption at the turn of the century and for the forthcoming years till the middle of the 21st century. The presentation and analysis covers the expected role of the fossil energy resources including crude oil, natural gas and coal. The article expounds some opinions about the nuclear energy utilisation and its social acceptance. Among the renewables it deals with the quick spread of the wind turbines.
Bevezetés
1950 után a világon az energiafelhasználás a bruttó nemzeti termék növekedésével azonos ütemben növekedett. Az olajárrobbanás követõen az energiafelhasználás az iparilag fejlett államokban lelassult, éveken keresztül a növekedés csak évi 1% volt, majd a felhasználás még tovább mérséklõdött. A lakosság létszáma lassan növekszik, sõt egyes országokban fogy. A 21. század húszas-harmincas éveiben a fosszilis és a nem fosszilis energiahordozók aránya várhatóan azonos lesz (egyúttal a fosszilis energiahordozók ekkor érik el maximális értéküket és megkezdõdik csökkenésük). A fejlõdõ országokban a lakosság létszáma erõteljesen növekszik, lassú apadás csak a század második felében várható. Egyes országok (pl. Kína) erõteljesen növelik energiaszükségletüket. Jelenleg 2 milliárd ember, tehát a föld lakosságának csaknem egyharmada nem képes a modern, „kereskedelmi” energia megvásárlására (pl. Banglades).
Várható, hogy 2100-ig a világ energiafelhasználása megkétszerezõdik. A fejlett ipari országokban az egy lakosra számított energiafelhasználás jelenleg nyolcszorosa a fejlõdõ országok átlagának. Ez az arány a késõbbiek során mérséklõdik.
A kutatás még az elõzõ évszázad végén az eddigieknél hatékonyabb energiaátalakító és -felhasználó technikákat fejlesztett ki, alkalmazásuk a felmerülõ jelentõs költségek miatt csak ebben az évszázadban történik meg. A hatékonyságnövelõ technikák bevezetése inkább csak az iparilag fejlett országokban valósul meg.
A század közepén, 2060-ban legalább 65% a megújuló energiahordozók aránya, fõleg ezekre az energiahordozókra támaszkodva a mikroerõmûvek építésének terjedése várható. Az ilyen erõmûvekkel elkerülik a nagy transzmissziós, erõátviteli veszteségeket. A mikroerõmûvek terjedése gyorsabb lehet a fejlõdõ országokban, mit a fejlett világban.
A fosszilis energiahordozók a század elsõ felében elérik maximális értéküket
A világ energiafelhasználásában az egyes energiahordozók részesedését 1900–2060 közötti idõszakban az 1. ábrán tüntettük fel [1]. Ezen az ábrán megtaláljuk a fosszilis energiahordozók, tehát a szén, kõolaj és földgáz; az atomenergia; a megújuló energiahordozók, tehát a hagyományos biomassza, a vízenergia, a szélenergia, az új biomassza, a napenergia, apály-dagály energiamennyiségét EJ-ban. 2000-ben a fosszilis energiahordozók és nem fosszilis energiahordozók aránya 2:1, 2020-ban ezen energiahordozók aránya 1:1, 2060-ban várhatóan 1:3. 2020-ban a fosszilis energiahordozók által képviselt hõmennyiség csaknem 500 EJ, ezt követõen ez a hõmennyiség csökken. Az összes energiafelhasználást 1900 és 2020 között homorú görbe jellemzi, amely 2020-tól 2060-ig ferde egyenesbe folytatódik. A ferde egyenes emelkedése 20 EJ/év.
A 2000. évi energiafelhasználást a 2. ábrán kördiagram formájában ábrázoltuk. A kördiagram egy másik közleménybõl való [2], emiatt az egyes energiahordozók aránya némileg eltér az elõzõ ábra adataitól.
A fosszilis energiahordozók között a kõolaj 35,3%, fõleg a közlekedési jármûvek által használt üzemanyagok következtében, a szén 24%-ot képvisel (fõleg kõszén, kisebb mértékben nagy fûtõértékû és kis kéntartalmú barnaszén és lignit), amelyet szinte kivétel nélkül villamos energiává alakítanak át, és az földgáz részaránya 20,2%-ot tesz ki, amelyet szintén egyre inkább villamosenergia-termelésre használnak. Ezek összege: 35,3 + 24,0 + 20,2 = 79,5 %. A biomassza és a hulladék %-os aránya 11,1%, az atomenergiáé 6,7%, a vízenergiáé 2,3%, egyebeké 0,4%, az összegük: 11,1 + 6,7 + 2,3 + 0,4 = 20,5%. Az egyéb energiahordozókat a nap- és szélenergia, valamint a földhõ alkotja [2]. A fejlett országok olajból és földgázból a fentieknél többet, szénbõl kevesebbet használnak fel. A különbség a fejlett országok felhasználásában a század során részben eltûnik.
A 3. ábrán a jelenlegi termelés és feltártság mellett a fosszilis energiahordozók készletének években kifejezett élettartamát adtuk meg. Az élettartamokat a készletek és az évi termelés hányadosaként nyerjük [2]. Értékük szénnél 169 év, földgáz esetében 66 év, kõolaj vonatkozásában 43 év.
A 4. ábrán 2100-zal bezárólag a világ népességének alakulását, továbbá a fosszilis energiahordozók termelésének változását tüntettük fel [3]. 2000-ben a világ népessége a 6 milliárdot túlhaladta, 2100-ban pedig a 12 milliárdot eléri. A kõolaj termelésének maximumát 2025-ben éri el, ezt követõen a termelés csökkenése kisebb mértékû. A széntermelés 2060-ig folyamatosan növekszik, majd a termelés bõvülése csak kis mértékû. A fosszilis energiahordozók becsült termelésében a 2. és a 4. ábrákon bizonyos eltérés mutatkozik.
Az eltérések jobban megmutatkoznak, ha a 4. ábra termelési eredményeit az 1. ábra értékeivel hasonlítjuk össze. Az összehasonlítást elõbb a fosszilis energiahordozók, atomenergia, tradicionális, hagyományos biomassza, és a vízenergia vonatkozásában tesszük meg, ezt követõen a többi energiafajta tekintetében, amelyek 2000 elõtt egyáltalán nem, vagy csak egészen kis mértékben szerepeltek az igénybe vehetõ energiafajták között.
A szenet egyes helyeken, pl. Angliában, nálunk Brennberg környékén, kb. 200 éve ismerik és hasznosítják. Iparszerû hasznosítása a 19. század középsõ harmadában indult meg, amelyet az elsõ világháború eseményei tovább növeltek. A szénfelhasználás a 19. század során folyamatosan növekedett, termelésének maximumát, az 1. ábra szerint 2040 után éri el, majd a termelés csökken. A 4. ábra szerint a széntermelés 2060-ban éri el a csúcsát, ezt követõen pedig igen lassú növekedés tapasztalható.
Az olajfelhasználást az elsõ világháború repülõ és gépesített egységei, valamint szállító berendezései alakították ki, és a második világháború harci cselekményei erõteljesen megnövelték. 1970 elõtt, közvetlenül az elsõ árrobbanást megelõzõen az olajfelhasználás emelkedett; a következõ árrobbanás az 1. ábrán alig észlelhetõ. Még az elsõ árrobbanás elõtt, 1960-ban az olajfelhasználás a szénfelhasználást elérte, és ezen ábra 2020-ban mutat maximumot. A maximális termelés elérése után, mindkét ábra szerint, a csökkenés jelentõs, és 2030-ban az olaj és széntermelés ismét megegyezik, 2060-ban pedig az olajtermelés a széntermelésnél kisebb lesz.
A földgáz jelentõségét a szakemberek késve ismerték fel, felhasználása ipari méretekben a második világháború után kezdõdött el. Az olajjal szemben számos elõnye van. A földgázban szénhidrogének és vízgõz találhatók, beszerzési költsége az olajénál kisebb. A jelenlegi termelés (2. ábra), amely kisebb az olajfelhasználásnál, nemcsak az olajtermelõ arab államok területén (pl. Irán), de a világ más részein (pl. Oroszország távol-keleti részén) is megtalálható.
Irak elfoglalásának következményei az olajellátásra
Az Egyesült Államok Irak elfoglalásával és kormányának elûzésével az olaj feletti ellenõrzést megszerezte, s erõfeszítéseket tesz az iráni olaj és gázmezõk feletti uralom megszerzésére is (Szaúd-Arábia 36 %; Irak 15,3 %; Irán 12.6 %, a három legtöbb készlettel rendelkezõ állam). Mindezek miatt az egy évvel ezelõtt megkötött orosz–amerikai energetikai egyezmény jelentõségébõl sokat veszített. Éppen ezért az orosz kormány jóváhagyta a kelet–szibériai mezõktõl kiinduló olaj- és gázvezetékek építésének tervét. Oroszország 2020-ig érvényes terve értelmében 500 millió tonna olajat és 700 milliárd köbméter földgázt szándékozik kitermelni, ami 30%-kal több a jelenleginél. Ennek a megnövelt mennyiségnek azonban piacot kell szerezni, ami nem jelent egyszerû feladatot. A távol–keleti olaj lényegesen drágább az arab olajnál, minõsége gyengébb. A megnövelt exporttöbblet a balti, az adriai, nyugat–európai, valamint a megépülõ kínai vezetéken elszállítható. A megnövekedett orosz kitermelés legésszerûbb piaca éppen Kína lehet.
Kína ugyanis csökkenteni kívánja erõs függõségét az arab államok olajától, és az Egyesült Államok által ellenõrzött OPEC-tõl. Egyik legnagyobb olajvállalata (Sinopec) több mint 600 millió dollár értékben részesedést vásárolt az egyik kaszpi olajkonzorciumtól, és további terjeszkedésre készül. Évi 70 millió tonnás importjának több mint fele Közel-Keletrõl származik, ezt válthatja ki az épülõ, kb. hétmilliárd dolláros orosz beruházás, amelynek köszönhetõen 2005-tõl évi 30 millió tonna olaj kerülhet Kínába. A Kínai export mellett az orosz kormány számít még a japán kereslet élénkülésére is, ezért tervezi Japán felé az olajvezeték kiépítését.
A nukleáris energia
Amikor a nukleáris energia megjelent az erõmûvek építésénél, sokan az emberiség energiai gondjai megoldásának nagy reményeként szemlélték. Hamarosan bebizonyosodott, hogy a nukleáris erõmûvek az emberiségre nézve veszélyt jelentenek, nemcsak Csernobil révén. A megszûnt Szovjetunióban csatornák építésére, olaj- és földgáztárolók létesítésére számos atombombát robbantottak fel, Perm térségében pedig radioaktív tó keletkezett a földalatti robbantás hatására. A fejlett országok és az arab államok közötti kapcsolatok megromlottak; súlyos terrorcselekmények (pl. 2001. szeptember 11-én az Egyesült Államokban), és háborúk (az Egyesült Államok és Afganisztán, illetve Irak között) idején az atomerõmûvekkel rendelkezõ államok mûveik megvédésére kényszerültek. Pakson 2003. április 10-én bekövetkezett üzemzavart a Nemzetközi Atomenergia-ügynökség skálája szerinti minõsítésnek megfelelõen utólag 3. fokozatú, azaz súlyos üzemzavarnak rögzítették: tisztítás alatt üzemanyagelemek túlmelegedtek, amelynek következtében meghasadtak. Több mint egy év is beletelik, mire az üzemzavar körülményeit tisztázzák és a blokk újraindul.
Az atomerõmûvek építésének az a legnagyobb akadálya, hogy még megoldatlan a nukleáris hulladék biztonságos kezelésének és tárolásának problémája. Az országok többségében a közvélemény ellenállása a nukleáris energiával szemben erõsödik. Elhatározott dolog, hogy Németországban és Svédországban húsz–harminc éven belül az atomerõmûveket lebontják. Finnország is tervezi az atomerõmûvek megszûntetését, a többi erõmûvekben a hatásfokot jelentõsen megnövelik.
A világ számos országa rendelkezik nukleáris energiával. Ezeket az országokat az 1. táblázatban soroltuk fel, és megadtuk a nukleáris energiával termelt áramuk arányát. Három állam, Litvánia, Franciaország és Belgium nukleáris energiája 50%-nál nagyobb.
A németországi Zöld Párt egyik szóvivõjének az atomenergiával kapcsolatos nyilatkozatát a következõk szerint lehet összefoglalni [4]:
Az atomerõmûvek még tíz, legfeljebb tizenöt évig üzemelhetnek. A szóvivõ (Reinhard Loske) meg van gyõzõdve arról, hogy az atomenergia nem elõremutató. Hosszú távon a napenergiát javasolja alkalmazni, azonban ennek teljes megvalósításához negyven, ötven évre van szükség. Az atomerõmûvek megszüntetésével egy idõben a többi erõmû hatásfokát emelni szükséges, amire Németországban fennáll a lehetõség.
A szóvivõ szerint az atomerõmûvek kivonása folyamatosan történik meg, ami elõfeltétele a hatásos és a „környezettel megegyezõ” energiaellátásnak. Az atomerõmû a környezettel nem megegyezõ. A környezettel megegyezõnek számítanak a modern gázerõmûvek, áramot és hõenergiát szolgáltató blokkerõmûvek, tüzelõanyag-cellával mûködõ erõmûvek és a megújuló energiák valamelyikével (szolárenergia = napenergia, szélenergia, stb.) üzemeltetett erõmûvek. Ezen erõmûvek élénk versenyben vannak egymással. Nagy beruházási költséggel megépített és hosszú ideig üzemelõ erõmûvekre nincsen szükség. Így az atomerõmûveken kívül nincsen szükség a külszíni szénbányákra telepített erõmûvekre (pl. Németországban Garzweiler II) sem.
A szóvivõ nyilatkozatával a szerzõk nem értenek egyet.
A szélerõmûvek
Amíg más államokban a szélenergia megvalósításáról vitáztak, Dánia cselekedett. Jelenleg a szélenergia kereken ezer MW-ot képvisel, ami a dán áram elõállítás 5%-át jelenti. 2030-ban a dán szélmalmok összes kapacitása négyezer MW lesz, ami már a dán energiafogyasztás egynegyede [5].
A szélenergia létesítésére vonatkozó politikai határozatból nemcsak a környezet profitál, húz hasznot, hanem a dán gazdaság egésze is. A dán ipar tekintélyes üzletet fejlesztett ki. A forgalom 1997-re kb. 1,3 milliárd márkát tett ki, az elõállítók több mint 10 000 fõt foglalkoztatnak, és a gyorsan fejlõdõ világpiac 60%-át lefedik.
A dán szélmalmok 80%-a magánkezdeményezésbõl épült. Az élénk érdeklõdést államilag támogatják. Így a befektetõk 1989-ig megkapták a vásárlási összeg 30%-át hozzájárulásként. A dán parlament hat évvel ezelõtt az elektromos társaságokat arra kötelezte, hogy a privát szélenergiát kWh-ként 15 Pfenniggel kárpótolják.
A dán gyártók kis tételben kezdték: a nyolcvanas évek közepén a kapacitás csak 55 kW volt.
Az amerikai konkurencia készülékei technikailag sokkal rafináltabbak voltak, azonban alapvetõ hátránnyal rendelkeztek; nem funkcionáltak helyesen. Németországban nagy átmérõjû rotorokat építettek, melyek teljesítménye 500 kW. Ezek a nagy átmérõjû rotorok nem voltak gazdaságosak, építésüket abbahagyták, de egy más típust sikerült kifejleszteni. A dánok tovább dolgoztak, és folyamatosan csökkentették az áramköltségeket. Jelenleg 600 kW-os készülékeket gyártanak, amelyek egy kilowattórát 8,4 Pfennigért állítanak elõ, beszámítva a szélcsendes idõben használatos gázturbina költségeit is.
A szélenergia azonban drágább a szénbõl vagy gázból elõállított energiánál. Ha viszont a környezeti költségeket, amit a szén-dioxid szennyezés okoz, is figyelembe vesszük, úgy a szélenergia a legolcsóbb. Ezt az eredményt egy kutató intézeti jelentésben állapították meg. A jelentés szerint Dánia azt a célt tûzte ki, hogy 2005-ig a szén-dioxid kibocsátást 1968-hoz képest 21%-kal csökkenti.
A dán árampiacot 1996-ban liberalizálták. A szélmalmok és az árammal mûködtetett melegüzemek megtartották elsõbbségüket az olcsóbb ajánlókkal szemben. Ez tulajdonképpen a szabad verseny elvének megsértése az európai belsõ piacon. De a brüsszeli bizottság (Komisszió) a dán kérelmet 2006-ig elfogadta.
Az új üzletág 10 000-nél több munkahelyet teremtett.
A liberalizálást 2002-ben teljesen befejezték. Az áramtermelõt a privát háztartások is szabadon választják meg. A liberalizálás következtében minden valószínûség szerint az áramköltség csökken [6].
Dániában az áramszolgáltatók arra vállaltak kötelezettséget, hogy 2003-ig megújuló energiaforrásból állítják elõ áramszükségletük 20%-át, így szélerõmûvekbõl és biogáz üzemekbõl.
A tengerpart mentén nagy szélmalom parkok alakultak ki, amelyek nagyon produktívak. Így az átvételi ár 60-ról 43 Õre értékre (kb. 11 Pfennig) süllyedt.
A szakértõk kiszámították, hogy az 1995-ös ökológiai számítások szerint Dániában a szén-dioxid kibocsátást 2005-ig kb. 4%-kal csökkentik.
Dánia és Németország kötelezettséget vállaltak arra vonatkozóan, hogy a szén-dioxid emissziót 1990-tõl 2010-ig, tehát húsz év alatt 21%-kal mérsékelik.
Szélerõmûveket olyan területeken gazdaságos telepíteni, ahol a szélerõsség megfelelõen nagy, általában a tengerpartokon. A legújabb szélerõmûvek a tenger vízében állnak, nem messze a parttól. Az acéltorony magassága, a rotor átmérõje minél nagyobb legyen annak érekében, hogy a szélerõmû teljesítménye maximális legyen.
Németországban Kelet-Frieslandon és környékén található a szélerõmûvek jelentõs része. Ide E66. típusú szélkereket telepítettek, ezek teljesítménye 1,8 MW [6].
Németországban, a villamos iparban, az 1993-as évek óta érvényes szabályozások monopóliumot biztosítottak a közmûveknek az áram elõállításában, elosztásában és értékesítésében. Az 1990-es évek végére Németország mégis a megújuló energiaforrások alkalmazásának egyik vezetõ országává alakult. Noha az Egyesült Államokra jellemzõ szél- és napenergia mennyiségének csak töredékével rendelkezik, majdnem háromszor annyi szélerõmû-kapacitást telepített már. A napelemeket illetõleg is a világ egyik vezetõ országa. Egy évtized leforgása alatt egy új, multimilliárdos iparágat és több tízezer új munkahelyet teremtett [8].
A nagy német politikai pártok az 1970-es években, a magas olajárak miatt, egyetértettek abban, hogy hosszú távon az atomerõmûvek fogják felváltani a fosszilis tüzelõanyagokkal mûködõ erõmûveket. Az 1986-os csernobili atombaleset azonban határozottan szembefordította a közvéleményt az atomenergiával és más energiaforrások utáni komoly kutatásra késztetett. 1990-ben a német parlament, az éghajlati felmelegedések hatására, tanulmányt készíttetett a Föld éghajlatának megóvásáról, azzal a céllal, hogy új stratégiát dolgozzanak ki egy kevésbé kockázatos és a szénhidrogénekre kisebb mértékben támaszkodó jövõbeli energiarendszerre. A közvélemény nyomására adott válaszul az 1990-es évek végén a német parlament új energiatörvényt fogadott el, amely elõírja, hogy közmûvek kötelesek megvásárolni ellátási területükön minden megújuló energiaforrásokból fejlesztett elektromos áramot, és kötelesek minimum árat fizetni érte. Ez a szél- és napenergia esetében a kiskereskedelmi ár legalább 90%-a. Az új energia betáplálási törvény (Stromenspeisungsgesetz) biztosította az új megújuló energiaforrásokhoz való méltányos hozzájárulást, szabott áron. A német törvény megalkotását ösztönözte a Dániában bevált hasonló politika [8].
A törvény hatására a farmerek, a kisbefektetõk és a beinduló gyártók új iparágat teremtettek, szinte a semmibõl. Kezdetben a legtöbb szélturbinát északi tengerparton telepítették. Emiatt Németország tengerparti tartományai és azok közmûvei viselték a megújuló energiaprogram legnagyobb anyagi terheit. Megkísérelték az energiabetáplálási törvényt alkotmányellenesnek nyilvánítani. 1997. szeptemberében Bonnban tömegtüntetés volt a szélenergia és a törvény hatályban tartása érdekében. Válaszképpen a parlament 2000 áprilisában elfogadta a megújuló energia törvényt. -
Ez azt írta elõ, hogy az áramot minden szolgáltató között a teljes forgalmuk arányában kell elosztani, hogy egyik terület sem legyen anyagilag túlterhelve. A szélenergia-felhasználást a közmûvek emelt csatlakozási díjjal akarták gátolni. Ennek letörésére a törvény elõírta, hogy az energiaátviteli rendszert mûködtetõ közmûtársaságok fizessék meg a hálózathoz való csatlakozás költségeit. A törvény minden megújuló energia technológia számára specifikus, kilowattóránkénti árat rögzített az áramfejlesztés valódi költségei alapján. A közmûvek ugyan újból vitatták a törvényt, azt állítva, hogy a szubvenció nem Euro komform. 2001 márciusban az Európai Bíróság úgy határozott, hogy az ár nem állami támogatás, tehát nem szubvenció. A közmûvek rájöttek, hogy õk is hasznot húzhatnak a megújuló energiatörvénybõl.
A német szélenergia-kapacitás az 1991-es 56 MW-ról egy évtized alatt 6100 MW-ra ugrott, és minden évben nagyobb mértékû lett a növekedés. 2002 végére azt várták, hogy a szélenergia-kapacitás eléri a 12 000 megawattot, ami a németországi áramszükséglet 3,75%-át elégíti ki. Az ország északi részében, ahol a fejlesztés leginkább összpontosul, a szélenergia az éves áramszükségletnek mintegy 26%-át fedezi, ami megközelíti az atomenergia részesedését egész Németországban.
A szélturbinákat hazai használatra és külföldre gyártó német szélenergia-iparban cca. 40 000 fõ dolgozik. Az iparágnak annyi a kisrészvényese, illetve dolgozója, hogy az ágazat széleskörû társadalmi támogatással bír [8].
Hazánkban Inotán (Várpalota mellett) üzemel az elsõ szélerõmû. A másik szélerõmû a Duna-menti Kulcs község területén mûködik, Budapesttõl 59 km-re délre, 600 kW teljesítménnyel. A termelt elektromos áramot a Dél-Dunántúli Áramszolgáltató Rt. hasznosítja [7].
A szélerõmû kúpos acéltornya 65 m. magas, a háromtollú rotor átmérõje 44 m. A folyamatosan mért szélerõsség alapján megállapítható, hogy a termelhetõ energia évente 1,2 millió kWh, amely 750 család energiaellátására elegendõ. A rotor három tolla a szél erõsségének és irányának megfelelõen változtatja a helyzetét, így a legjobb hatásfokkal termeli az áramot.
Irodalom
[1] Weltenergieverbrauch bis 2060. Deutsche Shell AG, 2000.
[2] Presse Daten Bank. Die Zeit, 2001, 39–41.
[3] Ulrich Berner: Klimafakten – Der Rückblick, ein Weg zum Klimaverständnis. Glückauf 138 (2002) Nr.1/2, 42–48.
[4] Nicht um jeden Preis. Die Zeit, 1999, 23–24.
[5] Profitable Mühlen. Die Zeit, 1998, 16–17.
[6] Wer Wind macht, muss kombinieren. Die Zeit, 1998, 29–32.
[7] Energiafogyasztók lapja, 2001. október és 2001. december.
[8] Janet Savin: Az energiaellátás új jövõképe. – A világ helyzete 2003. 5. fejezet, 131–139.