Műszaki tudomány és a változó világ
Az energetika új kihívásai
Vajda György
A magyar energiapotenciál reálisan kiaknázható hányada meglehetősen szerény. Az 1. ábra a megújuló forrásokból évente kinyerhető energia és az ország elmúlt évi teljes energiaszükségletének hányadosát szemlélteti.
A legtöbbet a napenergiától és a biomasszától lehet remélni, de a teljes szükségletet még az összes megújuló forrás együttesen sem tudná fedezni. A 2. ábra ásványienergia- vagyonunk és az éves szükséglet viszonyát szemlélteti, vérmes reményekre ez sem jogosít fel. A magas költségek miatt az uránérc-bányászatot 1997-ben beszüntettük, és hasonló okból folyamatban van a mélyműveléses szénbányászat visszafejlesztése. Szerény kőolaj- és földgázvagyonunk az igények egyre csökkenő hányadának fedezésére ad csak módot és a geotermikus energia hasznosítását az alacsony hőfokszint korlátozza. Forrásbővítésnek tekinthető az energiatakarékosság is, az ország energiafelhasználásának 10-15%-át lehetne gyorsan megtérülő intézkedésekkel (pl. lakások hőszigetelése, villamosenergia- fejlesztéssel kapcsolt hőszolgáltatás előtérbe helyezése) megtakarítani, de erre 100-200 milliárd Ft-ot kellene beruházni.
További 10- 15%-ra tehető a lassan megtérülő energiatakarékosság (pl. alapanyagiparok technológiaváltása, kondenzációs hőerőműveink cseréje gázturbinás kombinált ciklusúakra, az izzólámpák cseréje kompakt fénycsövekre) eredménye, de ennek már legalább 300-400 milliárd Ft lenne az ára. Az erre fordítható tőke szűkössége miatt évente 1% energiamegtakarítás tűnik reális célnak, ez azonban az energiaszükségletnek a gazdasági fejlődés és az életszínvonal-emelkedés miatt elkerülhetetlen növekedését csak részben tudja ellentételezni.
Az előzőekből következik, hogy az ország energiaigényét belső forrásokból nem lehet kielégíteni, elkerülhetetlen az energiaimport, ami jelenleg szükségleteink több mint kétharmadát fedezi és a jövőben tovább fog nőni. Ezért a magyar energiapolitikát csak a világ energiahelyzetének és kilátásainak figyelembevételével lehet kialakítani. Ezt támasztja alá, hogy az elmúlt félévszázadban szinte évtizedenként radikálisan módosítani kellett a magyar energiapolitikát a világpolitika, a világgazdaság és a technika váratlan fejleményei miatt. Valószínűleg a jövőt is ez fogja jellemezni, amit annál több bizonytalanság terhel, minél messzebbre nézünk. Csak az a bizonyos, hogy a jövő nem úgy fog alakulni, ahogy ma elképzeljük. Ennek ellenére érdemes előre tekintenünk, mert ez késztet új utak és megoldások keresésére.
A 3. ábra a világ energiaszükségletének alakulását mutatja be a 20. században. A növekedés szinte folyamatos, csak nagy kataklizmák (világháborúk, világgazdasági válság, a szocialista rendszer szétesése, olajkrízis) okoztak átmeneti visszaesést vagy stagnálást. Ha az energiaellátás nem válik a jelenleginél lényegesen drágábbá, vagy az energiaszükségletek fedezésének módjában nem következnek be radikális változások, akkor a 21. századot is hasonló fejlődés fogja jellemezni, legfeljebb az energiatakarékosság hatására lassabb ütemmel.
A mértékadó szervezetek prognózisai 1-2%/év ütemmel számolnak1,2, amivel a világ teljes energiafelhasználása 100 év alatt mintegy 10-szeresére nőne, szemben az előző században tapasztalt 20-szoros értékkel, és a század 100 évre kumulált energiaszükséglete 1023 J nagyságrendűnek adódik. Bizonyos növekedés elkerülhetetlen, amit alátámaszt az a demográfiai prognózis, hogy 50 éven belül a Föld népessége a jelenlegi 6 milliárdról 10 milliárdra nő3, márpedig minden új lakos elemi szükségleteinek a kielégítése is többletenergiát igényel. Ha el akarunk kerülni világméretű konfliktusokat és társadalmi robbanásokat, módot kell találni a régiók elmaradottságát és szegénységét tükröző egy főre eső energiafelhasználásban mutatkozó óriási különbségek (4. ábra) mérséklésére. A rés kismértékű csökkentése is hatalmas többletenergiát követel a nagy lélekszám miatt. A következő évtizedekben a fejlődő világban várják a világ energiafelhasználásában a növekedés négyötödét (az ütem egyes régiókban már most is 5-10%/év).
Ki lehet-e elégíteni a 21. század hatalmas 1023 J-nyi energiaszükségletét? A legvonzóbb a megújuló energiák hasznosítása lenne, mivel azok nem merülnek ki, és viszonylag kevéssé szennyezik a környezetet. Térhódításuk egyelőre lassú, mert gyakran csak támogatással biztosítható versenyképességük. Teljesítménysűrűségük ugyanis többnyire kicsi, ezért nagy felületen kell az energiát összegyűjteni, amihez sok anyagot igénylő, nagyméretű berendezésekre van szükség.
Ezért fajlagos beruházási költségük magas, amit tovább növel, hogy az intermittens jelleg miatt vagy energiatárolóról, vagy más energiával működő háttérkapacitásról kell gondoskodni. A lehetőségeket az 5. ábra szemlélteti. Kizárólag a megújuló energiákkal a 21. század energiaszükséglete sajnos nem fedezhető. Egyrészt leértékeli a lehetőségeket, hogy az átalakítási hatásfokuk - a vízerőművek kivételével - alacsony, ezért azonos szolgáltatáshoz (pl. villamos energia vagy hő fejlesztéséhez) sokkal több megújuló energiára van szükség, mint a hagyományos tüzelőanyagokból. Másrészt a megújuló források éves teljesítménye jelenleg ugyan sokszorosa a világ évenkénti szükségletének, de az évszázad végén érvényesülő igénynek már csak törtrésze. A tudomány eredményei módosíthatják a mai ismeretek és lehetőségek talaján kialakított képet, például ha a félvezető technika a napelemek jelenlegi 10% körüli hatásfokát meg tudja sokszorozni. A nagy naperőművek fejlesztése is új horizontokat nyithat, még ha a geostacionárius pályára kihelyezett több GW-os naperőművek nem is válnak ipari létesítményekké.
A világ energiaellátásának 80-85%-a jelenleg az ásványi tüzelőanyagokra (kőolaj, földgáz, szén), illetve az azokból előállított termékekre alapul. A világ műrevaló vagyona távolról sem elég az igények kielégítésére, de a feltételezett vagyonból már teljesíthető a feladat - különösen ha a nem konvencionális olaj és gáz előfordulásokat is figyelembe veszik. Javítja a kilátásokat, hogy a geológusok állandóan új lelőhelyeket valószínűsítenek, ugyanakkor a vagyon jelentős részét politikai, gazdasági, környezetvédelmi vagy műszaki okokból nem is fogják kitermelni (amit példáz a bezárt bányáinkban hagyott magyar energiavagyon). Megjegyzendő azonban, hogy a szénhidrogének eltüzelése hőfejlesztésre vagy villamos energiatermelésre nagy pazarlás, mivel azok nehezen helyettesíthető, értékes vegyipari alapanyagok. A tudomány ezen a területen is tud új utakat nyitni, például hidrogént használó félvezető tüzelőanyag-elemek kifejlesztésével, melyek égésterméke víz. A fantáziát szabadra engedve még az is elképzelhető, hogy az ilyen áramforrásokra alapuló decentralizált ellátás múzeumba küldi a villamos erőműveket és hálózatokat.
Az ásványi tüzelőanyag hasznosításának legnagyobb tehertétele a környezetszennyezés, mindenekelőtt az égéstermékek légszennyezése és a szilárd hulladékok. A legtöbb légszennyező (kén-oxidok, nitrogén-oxidok, pernye, illó szerves vegyületek) kibocsátásának csökkentésére vannak a gyakorlatban bevált eljárások, természetesen többletköltség árán. Ma úgy tűnik, hogy az energetika jövőjét az üvegházhatás alakulása fogja eldönteni, aminek főszereplője a troposzférában felhalmozódó szén-dioxid4. A szén- dioxid-kibocsátás mérséklésére is vannak elképzelések (pl. tárolás a tengerben vagy kőzetekben, hasznosítás nyersanyagként vagy munkaközegként) de ezek nagyon távol vannak a gyakorlati alkalmazhatóságtól és főleg a gazdasági elviselhetőségtől.
A karbon tartalmú tüzelőanyagok alkalmazásának visszaszorítására már vannak kényszerek, így a kiotoi megállapodás, vagy egyes országokban a szén-dioxid kibocsátásának megadóztatása, de a leghatásosabb terelő hatás az lesz, ha igazolódnak az üvegházhatás egyelőre csak feltételezett következményei. Ekkor a csak kevés szén-dioxid-kibocsátással járó megújuló és a nukleáris forrásokra helyeződik át a súlypont. Külön probléma, hogy a környezetszennyezés csökkentésével járó többletterhekből mit vállalnak a fejlődő országok, melyek vétlenek a jelenlegi súlyos helyzet kialakulásában, viszont a következő időszakban ők lesznek a legnagyobb új energiafogyasztók. Korlátozott anyagi lehetőségeikből csak a legszükségesebb beruházásokra futja, és gyakran a széntermelést tudják a legegyszerűbben bővíteni (pl. Kína, India).
A hasadóanyag-vagyon esetében szólnunk kell arról, hogy a természetes uránban nagyon kis, 0,7%-os hányadot képviselő 235-ös izotópot hasznosító termikus reaktorokon alapuló jelenlegi technikával nem sokra megyünk, még ha a nagyon drága uránérceket is termelésbe vesszük. Minőségi változást eredményezhetnek a 238-as uránizotópból hasadóképes 239-es plutóniumot tenyésztő szaporító reaktorok, így az uránt teljes körűen hasznosítva, mintegy 70-szeresre növelik az ércvagyon potenciálját. Ugyancsak nagy lehetőség az uránércek többszörösét kitevő tóriumércek kiaknázása, mivel a 232-es tórium izotópból neutron- besugárzással hasadóképes 233-as urán állítható elő. Az atomenergetika nagy ígéretére, a fúzióra sajnos nem számíthatunk a század első felének ipari gyakorlatában.
A nukleáris energetika nagy előnye, hogy az a környezetet alig szennyezi, a technológiai vertikum CO2-kibocsátása is jelentéktelen5. A hasadóanyag-ércek energetikai hasznosítása nem vonja el más polgári alkalmazástól a lehetőséget, mivel az uránra egyáltalán nincs ilyen igény, a tóriumra is csupán csekély mértékben. Az energetikai ellátás biztonságát jelentősen növeli, hogy a fűtőelemekben tárolt energia jó néhány évre fedezi az erőmű szükségletét. Mégis néhány, az önellátásra képtelen, de az energetikai függetlenségére kényes országtól eltekintve az atomenergia jelenleg a legtöbb állam számára nem vonzó megoldás. E lényegében politikai álláspont azok megnyerésére irányul, akik félnek az ionizáló sugárzás ártalmaitól. A félelem gyökerei Hirosimához és Nagaszakihoz nyúlnak vissza, amit a hidegháború időszakában felerősített a rettegés a nukleáris fegyverkezés miatt, és azután Csernobil tett rá egy nagy lapáttal. Az atomenergia alkalmazásának egyik feltétele a társadalmi elfogadtatás, amihez ki kell küszöbölni a félelem okait: egy második Csernobil lehetőségét, a radioaktív hulladékok veszélyességét, valamint a polgári és a katonai alkalmazás kapcsolatát.
Egy második csernobili katasztrófa lehetőségét ki lehet zárni. A katasztrófa, valamint a nemzetközi egyezmények hatására oly mértékben megnövelték a működő atomerőművek biztonságát, hogy a környezetben élők egyéni kockázata egy erőművi baleset során nem nagyobb, mint bármely ipari baleset kockázata és hasonló a helyzet az egészségi ártalmak terén is. Az amerikai tervezési filozófia új atomerőművektől azt kívánja meg, hogy az erőmű egy mérföldes környezetében a lakosság nukleáris eredetű baleseti kockázata egy nagyságrenddel legyen kisebb minden más eredetű baleset eredő kockázatánál. Hasonló arányt kíván meg a 10 mérföldes környezetben az erőművi kibocsátás miatt feltételezhető rákos megbetegedés feltételezett valószínűsége és minden más eredetű rák gyakorisága között. A most épülő atomerőművek védelmi rendszerei biztosítják, hogy a környezetet érintő balesetek valószínűsége rendkívül kicsi és a beépített gátak az esetleg kikerülő aktivitás mértékét csekély értékre korlátozzák. Az erőművek következő generációjának kialakításánál pedig alapvető célkitűzés, hogy - lehetőleg inherens tulajdonságok révén - gyakorlatilag kizárják a környezet veszélyeztetését.
A radioaktív hulladékok veszélyessége is félelmeket ébreszt, ennek oldására bizonyítani kell, hogy a hulladékokat biztonságosan el tudjuk szigetelni a környezettől, amíg a spontán bomlás következtében aktivitásuk jelentéktelen mértékre nem csökken. A kis aktivitású és nem túl hosszú (<30 év) felezési idejű hulladékok végleges elhelyezésére világszerte számos jól bevált létesítmény működik. A magyar tároló közel 3 évtizedes problémamentes múltra tekint vissza. A nagy aktivitású és hosszú felezési idejű hulladékok végleges elhelyezésére a legjobb megoldásnak a temetés tűnik, néhány száz méter mélyen, stabil földtani formációkba. Egy ilyen létesítmény katonai hulladékokra már megvalósult az Egyesült Államokban, atomerőművi hulladékokra is több tárolóra készültek tervek, de tényleges kivitelezésre még sehol sem került sor. Ennek oka, hogy a kiégett fűtőelemekben néhány alkotó felezési ideje nagyon hosszú, és ezért a hulladékot 10 000 évekre, vagy még tovább kell a környezettől elszigetelni. Nagy kérdés, hogy ilyen időtartamokra lehet-e létesítményekkel számolni, illetve létük nem merül-e feledésbe. Jelenleg az általános gyakorlat - amit Pakson is követünk - a kiégett fűtőelemek átmeneti tárolása, 50-100 évre, megfelelő biztonságot nyújtó létesítményekben, mialatt a végleges megoldások kialakulnak. Ennek egyik lehetősége a fűtőelemek újra feldolgozása, a kinyert hasadó- és tenyész- anyagokat visszavezetik az energiatermelésbe, és csak a 4%-nyi maradékot kell eltemetni. Ígéretes új lehetőség a hosszú felezési idejű izotópokat neutronbesugárzással rövid felezési idejű vagy stabil atomokká alakító transzmutáció. Az is megoldás lehet, hogy a kéreg természetes sugárzási szintjét nem növelve csak annyi aktivitást temetnek vissza, amennyit kitermeltek a hasadóanyagot tartalmazó ércekkel.
Az is félelmek forrása, hogy a kiégett fűtőelemekből kinyerhető plutónium felhasználható nukleáris fegyverek előállításához, így az atomerőművek előmozdítják az atomfegyverek elterjedését. A fegyvergyártásnak nem ez a legegyszerűbb és leggyorsabb útja, a fűtőelemben lévő plutónium izotóp-összetétele sem megfelelő, az erőművek hasadóanyag- készletének szigorú nemzetközi ellenőrzése pedig jól bevált.
Az atomenergia hasznosításának a versenyképesség is feltétele. A termelt villamos energia önköltségében nincsenek nagy különbségek a szén-, az atom- és a földgázbázisú alaperőművek között, a földgáz drágulása akár meg is fordíthatja az arányokat. A nagy különbség a fajlagos beruházási költségekben jelentkezik, ami a vezetékes ellátási módok területén a piaci viszonyok kialakításának és a gyors megtérülést, valamint az alacsony tőkeigényességet preferáló magántőke fokozott szerepvállalásának időszakában kritikus kérdés. A létesítési költségek lényeges csökkentésére vannak biztató kezdeményezések, pl. tipizálással rövidíthető az engedélyezési és létesítési idő, amivel jelentősen csökkenthető a nagy kamatteher; az erőmű élettartamának meghosszabbításával minimális tőketerhű évtizedek alakíthatók ki; a természeti erőkre (gravitáció, felhajtó erő, termikus cirkuláció stb.) alapuló passzív védelmi rendszerek révén a szerkezeti elemek jelentős hányada elhagyható.
A fenntartható fejlődés követelményének a megújuló és a nukleáris energiabázis preferálásával lehet a legjobban eleget tenni, elkerülve a természeti erőforrások túlzott igénybevételét és minimalizálva a környezet terhelését6. Valószínű, hogy e drágább energiaforrások kilátásait távlatilag javítani fogja, hogy az energiaárakat meghatározó kőolaj termelési költsége nőni fog, ahogy a legkedvezőbb adottságú lelőhelyek kiapadnak és drágább források kihasználására kell áttérni. Az energetikai ellátás biztonsága érdekében viszont mindhárom lehetőséget célszerű hasznosítani, a diverzifikált primer energiabázis esetében van mire támaszkodni, ha valamelyik erőforrás hasznosíthatósága beszűkül, vagy lehetetlenül. Ez Magyarország számára különösen fontos, egyrészt erős importfüggése miatt, másrészt geopolitikai helyzete következtében, mivel legfőbb energiaszállítási útvonalai bizonytalan térségeken - a FÁK-on és a Balkánon - vezetnek keresztül.
Befejezésül egy olyan problémát említek, ami még nincs a figyelem előterében. Az energiahasznosítás minden formája végül hővé alakul. Az emberiség által fejlesztett hő ma az inszolációnak még csak tized ezreléke körül mozog, de a jelenlegi fejlődési ütemekkel a 21. század végére eléri a szárazföldeket érő napsugárzás ezrelékét. Hol a határa a még elviselhető aránynak? Míg az üvegházhatás csupán átrendezi a hőmérséklet-viszonyokat a troposzféra és a földfelszín között, ez a melegedés a bolygó energiaviszonyait módosítja. Ha el akarjuk kerülni a bajt, alapvetően új módon kell az energiaszükségleteinket fedezni, amire vannak már példák. Az ércekből egyes fémeket sok energiát igénylő kohászati eljárások helyett ki lehet nyerni baktériumok segítségével; az energiaigényes növényvédő szerek helyett gének módosításával a haszonnövényeket ellenállóvá lehet tenni a kártevőkkel szemben; az anyag- és ezen keresztül energiaigényes távközlési hálózatok helyett az információk továbbíthatók műholdról sugárzott mikrohullámokkal. A különböző tudományágak együttműködéséből születő ilyen és hasonló minőségi változások segíthetnek az energiaszükséglet radikális csökkentésében és a termikus egyensúlyzavar elkerülésében.
IRODALOM
1. International Energy Agency. World Energy Outlook. OECD, Paris, 1998.
2. WEC, IIASA. Global Energy Perspectives to 2050 and Beyond. WEC, London 1995.
3. United Nations. World Population Projection.UN, New York, NY. 1996.
4. IAEA. Health and Environmental Impacts of Electricity Generation Systems. Techn. Rep. Series No 394. IAEA, Vienna, 1999.
5. International Atomic Energy Agency. Sustainable development and nuclear power. cIAEA, Vienna, 1997.
6. World Commission on Environment and Development. Our Common Future (Report of the Brundtland Com.). Oxford University Press, 1987.
7. IEA. Benign Energy? The Environmental Implications of Renewables. OECD, Paris, 1998.