Megújuló energiák előállítása

Kategória: Agrárenergetika | Szerző: Dr. Tóth László Szent István Egyetem, GEK, 2014/10/20

Mivel a hagyományos fosszilis energiahordozók égetése, főként a szén-dioxid-kibocsátásuk miatt a környezetre káros hatás. De takarékoskodni is kell velük, mivel kifogyóban vannak, s emiatt növekednek a kitermelési költségek, tehát az energiaárak is.

Prognózisok

Tizenhét jeles kutatóintézet készített prognózist a várható energiastruktúrára a 2030. és 2050. évekre. A prognózisokban fellelhető egyébként igen jelentős szóródás ellenére egyértelmű a fosszilis energiahordozók mérséklődő szerepe, miközben a megújuló energiák térhódítása igen számottevő. Erőforrásainkat a jövőben, sőt már a jelenben is, nem a primer energiahordozók kitermelésének fokozására, hanem az anyag- és energiatakarékos technológiák fejlesztésére, a megújuló forrásokra és a környezetkárosító hatások csökkentésére kell fordítanunk.

A világ meghatározó politikai és gazdasági erői ezt felismerték, s ennek köszönhetően az utóbbi 10–15-évben létesült erőművek jelentős része már a megújuló energiaforrásokat hasznosítja. A prognózisok szerint (2012-től 2030-ig) az új erőművek építési aránya (1. ábra) a megújuló és fosszilis energiahordozókat tekintve egyértelműen a megújulók javára dől el.

Volumenben a legnagyobb új kapacitásokat a szél- és naperőművek jelentik (6,7%/év és 10,4%/év növekedési ütemmel), mint a legkedveltebb megújuló energiaforrá­sok (2. ábra).

A hagyományos megújuló energiaforrások közül a leginkább közismert és használatos biomasszában és vízenergiában az évi növekedés üteme kisebb, mint a napé és a szélé. A biomasszát elsősorban hőenergia, a vízenergiát pedig villamos energia előállítására hasznosítjuk (száz évvel korábban a vízerőből még mechanikus energiát nyertek).

Szélenergia

A megújuló energiáknál az intenzív fejlődési trendet leginkább a szélenergia mutatja. Míg 12–13 évvel ezelőtt világviszonylatban 300–600 MW kapacitás működött, ma világviszonylatban 320 000 MW teljesítményt jelentenek a szélerőművek.

Az eddigi építések alapján az egy főre jutó szélből nyert villamos energia teljesítmény Spanyolországban a legnagyobb, viszont a területének egy km2-re jutó legnagyobb érték Németországban található (1. táblázat). A szomszédos Ausztria mindkét paraméterben közel hétszeresen haladja meg hazánkat (az utóbbi 6 évben megduplázta a kapacitását!).

Ipari jelleggel a szélenergia Magyarországon a 2000. év táján került alkalmazásra. 2006-ig csak néhány erőmű létesült, melyekkel bizonyítani lehetett, hogy a szél Magyarországon is alkalmas villamos energia előállítására (alkalmas szélviszonyok vannak). Az engedélyeket a nagyobb volumenű hálózati csatlakozásra 2006. évben adták ki. Ezt követően, 2011. januárra 329,6 MW kapacitás létesült. Az építők beruházás-támogatásban gyakorlatilag nem részesültek, viszont támogatott a termelt energia. Ennek révén a megtérülésük általában 8–10 évre tehető, tehát a befektetőknek (alkalmasint az államnak) jó beruházást jelent, hiszen az élettartamuk 25–30 év. A megtérülésük eltelte után az egyik legolcsóbb villamos energiaforrás, hiszen externális költségük nincs, és az utólagos állandó költségösszetevőből a forrásenergia költsége nulla (nincs üzemanyag költség).

Napenergia

Ez ideig az ún. vizes napkollektorokat alkalmazták hőenergia előállítása céljából. A nyert hőt a háztartásokban leggyakrabban a használati meleg víz előállítására, néhány helyen fűtésre is használták. Jó tervezés és hatékony kihasználás esetén a beruházások 7–8 év alatt megtérülnek.

Ma a világban a növekedési trend a napenergia fotovillamos felhasználásánál a legnagyobb. A kutatások révén az újabb technológiákkal nagyobb a hatásfokuk, hatékonyabb a működésük, s rövidül a beruházások megtérülési ideje.

A jelenlegi alacsony hatásfokok következtében (15–16%) a beruházásuk csak hosszabb távon térül meg, ezért rendszerint támogatásban részesülnek. A támogatás jellemző Európára és az Egyesült Államokra is, de a leggyorsabban fejlődő Kínában is hasonló megoldással találkozhatunk.

A fotovillamos napenergia-hasznosítási rendszerre háromféle lehetőség van:

Magánszemélyek létesíthetnek kiserőművet saját háztartásuk vagy üzemük ellátására, de építhetnek üzleti célból is.
Az utóbbi esetben a kisebb vagy nagyobb erőművekkel termelt villamos energia teljes egészében eladásra kerül a hálózat tulajdonosának vagy energiakereskedőknek.

A leggyakoribb a kettő kombinálása, tehát saját és eladási célra is állítanak elő villamos energiát.

A napelemek által termelt villamos energia feszültségszabályozón át a saját tároló akkumulátorainkhoz, inverteren át a hozzá kapcsolt (távvezérelt) ki- és bejövő energiát mérő rendszerhez jut (4. ábra). A mérőrendszer továbbítja a napelemeink által eladásra termelt villamos energiát a villamos hálózatba, szükség esetén pedig méri az onnét vásárolt energiát. A többlettermelést eladjuk, ha az akkumulátoraink töltve vannak. A töltési prioritás mindig a töltetlen akkumulátoroké (kivéve, ha adott időszakban magas árat kínálnak az energiáért). Akkumulátorok nélkül is működik a rendszer, de ebben az esetben több az energiavásárlási kényszer.

A saját felhasználás és a saját fedezet a napelemek teljesítőképessé­gének, az akkumulátorok tárolókapacitásának és a saját felhasználásunk függvényében számítható is.

Az ilyen forma jelenti az ún. diverzifikált villamos energia rendszert. Amennyiben a háztartáson vagy a kiserőművön belül többlet keletkezik, azt a hálózatnak átadják, eladják. A hálózat és a kiserőmű között ún. okos mérőrendszer helyezkedik el, amely méri az eladott, a hálózat felé továbbított villamos energia mennyiségét, ugyanakkor napenergiákban hiányos időszakokban (éjszaka, felhős időben) a hálózatból vételezett energia mennyiségét is meghatározzák. Éves viszonylatban a két energia különbsége adja a számla kiegyenlítését. E mérőrendszer a jövőben része lesz az okos hálózatnak (smart grid1), amely már nagyban segíti a villamos rendszer gazdaságosságát és az ellátásbiztonságot. Példa gyanánt tekintsük meg egy német háztartás évi fotovillamos gazdálkodását (5. ábra) a havi villamosenergia-eladások és -vételek alapján. Fontos, hogy az eladás (betáplálás) és a vételezés (hálózat) aránya az egyet közelítse, vagyis a vétel és eladás egyensúlyban legyen, hiszen az elszámolás ezen az alapon történik. Az akkumulátor töltése és kisütése az egyensúly elérését szolgálja.

Geotermikus energia

Hazánk geotermikus energiában kifejezetten gazdag. Ma a konvektív úton, a fluidumokkal felhozott geotermikus energia elsősorban fűtési célokat szolgál (települési, mezőgazdasági, 6. ábra), csak néhány országban (ritkán és igen speciális körülmények között) hasznosítják villamos energia előállítására (Izland).

A geotermikus energia hasznosításához soroljuk a hőszivattyúval való hőenergia-előállítást, amely gyakorlatilag 100–150 m-ig a talajfelszín közeli (a földmagból kiáramló, hőfluxus), átlagosan ~13–15 °C-os hőenergia hatékony hőtranszformációját jelenti. Az alacsonyabb hőmérsékletű földhőt a hőszivattyúk révén (külső energia felhasználásával) igen nagy hatékonysággal (gyakran 3–5 szeres) emeli fel magasabb energiaszintre, s ezáltal jelentős mennyiségű többlet hőenergiához jutunk.

Hőenergia biomasszából

A biomasszából különféle energiahordozóféleségek állnak rendelkezésünkre. Legnagyobb felhasználható volument a dendromassza, az erdőből származó különféle faféleségek jelentik. A másik nagy forrás a mezőgazdaság fő és melléktermékei. A biomasszák energetikai felhasználásának lehetséges módjai:

• tüzeléstechnika,
• pirolitikus elgázosítás,
• metános erjesztés (biogáz),
• növényiolaj- és szeszelőállítás (motorhajtóanyag).

Az arra alkalmas biomasszák eltüzelése történhet közvetlen (hagyományos) módon, de történhet valamilyen feldolgozást követően. A feldolgozással először aprítékokat nyerünk, amelyekből pelletet és brikettet is készíthetünk. Nagyon gyakran a mezőgazdasági melléktermékeket is pellettáljuk és brikettáljuk, mivel ez a felhasználásukat jelentősen megkönnyíti. Meg kell jegyezni, hogy a feldolgozás (nemesítés) mindig energiafelhasználással jár, tehát növeli a tüzelőanyag költségét. Az aprítás és a pellettálás a felhasználókat segíti: jobb a tüzelési hatásfok, és kényelmesebbé teszi a felhasználást. Végül is, ha nemesített formában kerül felhasználásra az anyag, magasabb alapanyagköltséggel kell számolni.

Más a helyzet az aprítással, ha az anyag nem kerül további feldolgozásra, tehát pelletálásra vagy brikettálásra. Az apríték készítését gyakran a kitermelés helyén végzik el, ez lehet erdőgazdaság, illetve lehet olyan ültetvény, ahol a különféle kemény szárú fafajtákat energia célból termesztik, ezeket gyakran nevezik energiaerdőknek is (7. ábra). A betakarítás időszakában az anyagok nedvességtartalma 50–55%-os, tehát ilyen nedvességtartalom mellett az égetésük gondot jelent, ezért szárításra van szükség.

A szárítás lehetséges különféle mesterségesen előállított hőenergia felhasználásával. Legeredményesebb, ha a felhasználáshoz valamilyen hulladékhőt használunk, amely a legolcsóbbnak tekinthető, hiszen ellenkező esetben az előállítónál veszteségként jelentkezik. Ilyen hulladék hőenergia a kondenzációs és a füstgázzal távozó energia. Német­országban például a biomassza erőműveknél a gázmotoroknál felszabaduló hőmennyiséget használják fel a nedves aprítékok szárítására. A szárítás után már jobb hatásfokkal égethető el az apríték a kazánokban. Ma a biomasszák tüzelésére a kazángyártók (a kívánalmaknak megfelelően) olyan egységeket is gyártanak, amelyek 40–45% nedvességtartalom mellett is képesek elégetni az aprítékot. Tudomásul kell azonban venni, hogy ezeknek a berendezéseknek a hatásfoka rosszabb, ha nem alkalmaznak hővisszanyerő rendszereket. Ma már 2 MW teljesítményű kazánokat is ellátnak kondenzációs energia-visszanyerő résszel, amelynek következtében a hatásfok jelentősen javul. Nyilvánvaló, hogy az ilyen kazánoknak nagyobb a beruházási költsége, viszont ugyanazon energiamennyiség előállításához kisebb méretű kazán szükséges. Az erdőgazdaságokból is jelentős mennyiségben kaphatunk aprítékot, különösen a fakitermelés időszakában, az ún. vágási hulladék aprítása révén (de a tuskók kitermeléséből is származhat). Sokak véleménye, hogy a szilárd biomasszákat fűtésre, használati melegvíz készítésére célszerű felhasználni. A biomasszából előállított villamos energia támogatására hozott törvényt követően a nagy erőművekben főként dendro­massza származékokat tüzeltek el, és az alacsony villamos hatásfokot csak a támogatás ellensúlyozta (a támogatás megvonásával leálltak). Ma is működik olyan erőmű, ahol nagy teljesítmény (40–50 MW) mellett égetnek el mezőgazdasági melléktermékeket, leginkább kukoricaszárat és gabonaszalmát. Ez lehet előnyös megoldás is, de tudomásul kell venni, hogy a mezőgazdasági területeken, az ott megtermelt mezőgazdasági melléktermék adott területi felhasználása a talajerő-állapot fenntartása érdekében alapvetően szükséges, ellenkező esetben, ha hosszú időn keresztül minden anyagot (a termést és mellékterméket is) elviszünk a mezőgazdasági területről, a talajok degradációjával kell számolni, ami a későbbiekben terméshozamok csökkenésében jelentkezik (pl. a szén egyre inkább hiányozhat a talajokból).

Biogáz hulladékokból

A mezőgazdasági hulladékok és kommunális eredetű hulladékok leggazdaságosabb és leginkább környezetbarát felhasználási módja a biogáz előállítása. A biogáz előállítása során anaerob fermentációval állítunk elő magas metántartalmú gázt, amelynek ugyan fűtőértéke kisebb a földgáz fűtőértékénél, viszont a helyszínen (decentralizáltan) nagyon jól felhasználható gázmotorokban és gázturbinákban, de járművek hajtására is. Tehát mechanikus, hő- és villamos energiát is előállíthatunk a nyert biogázból. A Magyarországon létesült biogázüzemek legnagyobb része a mezőgazdasághoz köthető, de igen nagy volument képeznek a szennyvíztisztítókhoz csatlakozó biogáz-előállító létesítmények (mondhatjuk kiserőművek) is. Ezek a szennyvízből a tisztításuk során visszamaradó ún. csatornaiszapot (eleveniszapot) használják fel fermentációs célra, és állítanak elő biogázt. Nagyon sok esetben a két megoldás kombinációjával találkozunk, tehát mezőgazdasági hulladékokat, melléktermékeket, mezőgazdasági anyagokat és kommunális hulladékot, elhasznált sütőolajokat, éttermi hulladékokat, illetve áruházakból a lejárt szavatossági idejű élelmiszereket használják fel.

Tehát az ilyen biogázüzemekbe a legkülönfélébb összetevőjű anyagok érkeznek be. A mezőgazdaságban alkalmazott biogáz-telepeken általában 2–3 féle anyag erjesztése folyik. A leggyakrabban az állattenyésztésből származó trágya, kukorica vagy egyéb növényekből készített szilázs és magtári hulladékok kerülnek be a rendszerbe. Ezekből viszonylag egyszerű „receptek” állíthatók össze a reaktorokba betáplált anyagok arányaira vonatkozóan. A reaktorokban lezajló kémiai, biokémiai folyamatokhoz optimális körülmények kellenek, s a kevesebb és ismert anyagból rövid kísérletezés után folyamatosan előállítható például a megfelelő szén-nitrogén arány, az optimális pH-érték és a kellő mértékű mechanikus anyagfeltárás (még számos feltétele van a hatékony üzemeltetésnek). A vegyes anyagot felhasználó üzemeknél a beérkező termékek belső kémiai és mikrobiológiai összetétele nem ismert és változó, de tartalmazhatnak olyan anyagokat is, amelyek a baktériuméletnek nem kedveznek, például különféle toxinok és penészek. Az ilyen telepeken nagyon fontos, hogy megfelelő puffert készítsenek, vizsgálják az anyagokat és kíséreljék meg „etetési” receptek összeállítását. Ellenkező esetben a biogázüzem nem lesz képes teljes kapacitással működni, csökken a metántermelés, a metánkihozatal az adott anyagokból. Ezzel a villamos- és a hőenergia előállítása is mérséklődik. A biogázüzemeknél gazdaságos üzemeltetés csak akkor jön létre, ha mind a villamos energiát, mind a hőenergiát teljes mértékben felhasználják. Csak a villamos energia eladása révén a biogázüzemek általában nem gazdaságosak. Nyilván más a helyzet egy szennyvíztisztító mellett működő biogázüzemnél, ahol a hőenergia felhasználásnak a helyszínen megvan a lehetősége és igény is van rá. A mezőgazdasági környezetbe való telepítésnél legyen tervezési feltétel, hogy a hőenergia felhasználható, eladható legyen, hogy ezáltal a létesítmény gazdaságosan tudjon működni.

A jövő

Összefoglalva elmondhatjuk, hogy a különféle megújuló energiaforrá­sok felhasználása a jövőben mindenképpen növekszik, az alkalmazásuk egyre inkább gazdaságossá válik. Ez utóbbi két tényezőből fakad: egyrészt a technológiák hatékonyságának javulása révén, mivel a különféle magas szintű villamos vezérlőrendszerek a folyamatokat optimalizálják; másrészt a hagyományos kifogyó energiahordozók ára folyamatosan növekszik A megújuló energiák átmeneti dotációja sem tekinthető rossz gazdasági elképzelésnek, hiszen a berendezéseket létesíteni kell, meg kell tanulni a velük való bánásmódot, működtetésüket és használatukat. Egyre nagyobb területeken (több országot átfogó) a diverzifikált energiatermelés lesz jellemző. Az Európai Unió egyértelműen ebbe az irányba ösztönöz. Leegyszerűsítve: az energiatermelésben sok termelő vesz részt, és mindegyikük a hálózatra is termel, ennek következtében a termelés és a fogyasztás kiegyenlítése (mind hazai, mind nemzetközi szinten) a fejlett vezérlés és információs technika segítségével egyszerűsödik, nő az ellátásbiztonság, ami a villamos energia rendszer legfontosabb tényezője.

Ajánlott kiadványokDr. Hajdú József:
A 21. század traktoraiDr. Kukovics Sándor szerk.:
A bárány- és juhhús fenntarthatóságaBai Attila - Lakner Zoltán - Marosvölgyi Béla - Nábrádi András:
A biomassza felhasználásaHarasztiné Lajtár Klára:
A borkezelés, palackozás, csomagolás és szállítás berendezései - Borászati technológiák II.

Ez is érdekelhetiA káposztafélék gépi betakarításaParlament előtt a 2025. év adózását meghatározó őszi adócsomagA lovak jólléte: a gondos lótartás eszközei és szabályai