A szénenergia jövője

A szénerőművek jövőjét Ázsiában írják majd meg — függetlenül attól, hogy Európa mit gondol…

Nemcsak a gőzt lehet túlhevíteni — a politikai vitákat is. A szénerőművek régóta a célkeresztben vannak, és politikai szempontból sokak szemében már eldőlt a sorsuk. Gazdasági és műszaki értelemben azonban korántsem lefutott a mérkőzés. A szén elégetésének káros hatásai — mindenekelőtt a magas szén-dioxid-kibocsátás és a környezetszennyezés — jól ismertek. Emiatt világszerte erős a törekvés arra, hogy valóban működőképes alternatívák szülessenek, miközben a „be kell zárni, és kész” típusú politikai döntések sokszor gyors és látványos politikai hasznot hoznak.

És itt jön az a kellemetlen igazság, amelyet Európában sokan nem szeretnek kimondani: a szénalapú villamosenergia-termelés jövőjét Ázsiában írják majd meg — attól függetlenül, hogy erről Európa mit gondol. Az energiaéhség helyi jelenség, az energiakihívások is helyiek. Milyen valós mozgástere van Indiának? Milyen lehetőségei vannak Kínának? Érdemes a kérdést kiszakítani az ideológiai térből, és visszatenni oda, ahová való: a műszaki és gazdasági valóságba.

Ebben az új, több részből álló cikksorozatban ezt a kérdést járjuk körül: hol tart ma a szénalapú energiatermelés, és merre haladhat a jövőben. A bevezető részben felvázolom a várható trendeket, és igyekszem a témát a lehető legalaposabban keretbe foglalni. Meggyőződésem, hogy a végére sok mindent más szemmel fogunk látni.

Már az elején szeretném egyértelművé tenni: ezt a témát műszaki nézőpontból vizsgálom, kifejezetten ismeretterjesztő céllal. Az alapállásom egyszerű: a tények beszélnek, a számok pedig kiabálnak — narratívák és mindenféle „izmusok” nélkül. Nem képviselek semmilyen szervezetet, egyszerűen csak egy bennfentes hang vagyok olajiparból. 🙂

Követeljük hogy mongyonle, izé, állítsák le azonnal!

De most komolyan. Péntek délutánonként fiatalok vonulnak utcára Nyugat-Európában, és azonnali leállítást követelnek a szénerőművek számára — a döntéshozók pedig süket fülekre találnak. Miért nem zárjuk be őket egyszerűen? Ez egy teljesen komoly kérdés.

Azért, mert fizikai értelemben jelenleg nem tudjuk őket kiváltani. Ahhoz, hogy megértsük, miről is szól valójában ez a kérdés, nézzük meg az 1. ábrát. Európa, Észak-Amerika és Óceánia (Ausztrália és a környező térség) primerenergia-felhasználása lényegében stagnál. Közép- és Dél-Amerika alacsony bázisról ugyan, de növekedésnek indult — Afrikával együtt —, miközben Ázsia szinte elszabadult tempóban növekszik.

Ázsia önmagában több energiát fogyaszt, mint a világ összes többi kontinense együttvéve — ráadásul még egy további 20 000 TWh-s hátizsákkal is megfejeli ezt. Az ázsiai fogyasztás növekedését évtizedeken át elsősorban Kína hajtotta, de a következő időszakban India is várhatóan több ezer TWh-val növeli majd az igényt.

Adódik persze a kérdés, hogy mivel elégítik ki ezt a brutálisan növekvő energiaigényt. És itt lép színre a főszereplőnk: a szén. A 2. ábrán a szén részaránya továbbra is 40% felett marad, és első pillantásra még csökkenő trendet is mutat. Ilyenkor a politika megigazíthatja a nyakkendőjét, és begyűjtheti az elismeréseket — de most megint jön a kellemetlen igazság.

A valóságban ugyanis a helyzet nem javul — épp ellenkezőleg, romlik. Ahhoz, hogy ezt megértsük, a két ábrát együtt kell olvasni. Ha a primerenergia-felhasználás meredeken emelkedik, akkor egy enyhén csökkenő — sőt, 2015 óta valójában lényegében stagnáló — szénrészarány is jelentős abszolút növekedést eredményez. Upsz.

Ez már önmagában teljesen más megvilágításba helyezi a történetet — és jól mutatja, mennyire elszakadtak a valóságtól az olyan szlogenek, mint hogy „követeljük, hogy azonnal állítsák le őket”. Az igazán sokkoló trendet azonban a 3. ábra mutatja meg, amely a szénfogyasztást ábrázolja.

Ázsia szénfogyasztása szinte csillagászati ütemben növekszik — és kevesebb mint tíz év alatt gyakorlatilag lenullázta Európa erőfeszítéseit. A különbség azóta csak tovább nőtt, annak ellenére, hogy közben egymást érték a klímacsúcsok és a multilaterális megállapodások.

És végül nézzük meg még közelebbről, hogyan áll a helyzet kifejezetten Indiában és Kínában. A 4. ábra egyértelművé teszi: ha a szénerőművek jövőjéről beszélünk, akkor erre a két országra kell igazán figyelnünk.

A grafikonon a szénfogyasztás és a primerenergia-felhasználás változását is feltüntettem. Kína esetében rendkívül erős felfutást láthatunk, de Indiánál is egyértelmű a növekedés: 1995 és 2015 között a primerenergia-felhasználás megduplázódott. Bár India mára a világ legnépesebb országává vált, az egy főre jutó energiafogyasztása még mindig jóval elmarad Kínáétól. Nagyhatalmi ambíciókhoz pedig ennek megfelelő ipari bázis is kell — ahhoz pedig energia szükséges. Nagyon sok energia.

India esetében ott van a vállalás, hogy az energiafelhasználás 50%-át megújuló forrásokra alapozzák — de ne felejtsük el, hogy itt a jövőbeni igény sok tízezer TWh nagyságrendjéről szól. Meg kell említeni az atomenergia-programokat, a fúziós reaktorok fejlesztését célzó nemzetközi projektekben való komoly műszaki részvételt, valamint a gyorsuló beruházásokat a szél-, nap- és vízenergia területén is. Csakhogy egy 50–50%-os megoszlás a fosszilis és a megújuló energiaforrások között egy kontinensnyi méretű ország esetében még mindig óriási CO₂-kibocsátást jelentene.

A szén továbbra is az az energiaforrás, amelyet a legkönnyebben és a legnagyobb mennyiségben lehet kitermelni, miközben a világ számos térségében hatalmas készletek állnak rendelkezésre. 2024-ben az éves széntermelés 9,1 milliárd tonna volt, és ha figyelembe vesszük a hozzávetőleg 1050 milliárd tonnányi bizonyított készletet, akkor még a mai termelési ütem mellett is nagyjából 100–110 évre elegendő tartalékról beszélhetünk. Ez az egymilliárd dolláros kérdés: hogyan — és milyen módon — döntünk ennek az energiának a hasznosításáról.

S lőn a világosság – és lőn az új problémák

A jelenkor globális áttekintése után térjünk rá a műszaki szál kibontására.

A szénalapú erőművek közel 200 éve velünk vannak, miközben folyamatos fejlődésen mentek keresztül. Az ipari forradalom hajnalán az emberiség először szembesült egy új problémával: nem állt rendelkezésre elegendő energia. Egyre több és több gép hajtásához egyre több gőzre volt szükség.

Ez a kihívás valóságos katalizátorként hatott a mérnöki tudományok és a természettudományok fejlődésére, és a korszak számos szellemi óriása dolgozott a megoldáson. Az egyre mélyebb matematikai és termodinamikai ismeretekre építve egyre fejlettebb kazánok születtek — egyre magasabb hőmérsékleten és nyomáson üzemelve.

1882 januárjában — alig három évvel az izzólámpa feltalálása után — felavatták a világ első széntüzelésű erőművét London belvárosában, az 57 Holborn Viaduct alatt. Az erőmű szívét egy Thomas Edison által tervezett, 93 kW-os generátor adta, amelyet az állomás gőzgépe hajtott. A generátor 110 V-os egyenárama kezdetben 968 kültéri izzólámpát látott el, később ezt 3000-re bővítették. Egy évvel később Milánó központját is beragyogta a fény.

A londoni erőművet hamarosan több másik követte világszerte. Az első amerikai erőmű még ugyanabban az évben, szeptember 4-én nyílt meg Manhattan üzleti negyedében, a Pearl Street 255–257. szám alatt — szintén Edison tervei alapján. A hat darab, egyenként 100 kW-os gőzdinamóval működő Pearl Street Station 1884-re már 508 egyedi fogyasztót és 10 164 izzólámpát látott el. A sort Berlin folytatta 1885-ben, majd Róma 1886-ban.

Edison és Tesla

Ha közelebbről megnézzük, erre az időszakra az erőművi technológia már iparilag kiforrott műszaki megoldásokkal rendelkezett. Csakhogy még mindig maradt egy probléma…

Az egyik ilyen az elektromos energia továbbításának kérdése volt — ez csúcsosodott ki az egyenáram (Edison) és a váltakozó áram (Tesla) jól ismert összecsapásában 1885–1886 körül. Ekkorra azonban a transzformátor — a magyar mérnökök felfedezéseinek köszönhetően — az akkor már létező váltakozó áramú rendszerekkel együtt egyértelműen megmutatta az előre vezető utat. Végül a váltakozó áram győzött. De ahogy ez lenni szokott, ezzel egy újabb probléma is felszínre került…

A villamos energia iránti kereslet óriási volt; a világ egy újabb ipari forradalom küszöbén állt. Új találmányok, új felfedezések — de mindehhez elektromos energia kellett, ráadásul ezt az energiát egyre nagyobb távolságokra kellett eljuttatni. Rengeteg szereplő lépett be a piacra, szabályozás viszont gyakorlatilag nem létezett: mindenki olyan generátort épített, amilyet akart. Ehhez hozzájött, hogy a dugattyús gőzgépek fordulatszáma sem volt szabványosítva, így végül odáig jutottak, hogy a villamos hálózat frekvenciája lényegében az adott erőmű saját jellemzőjévé vált. Ez két komoly problémát hozott a felszínre:

• Minél alacsonyabb a váltakozó áram frekvenciája, annál zavaróbb az izzólámpák villogása ⟶ növelni kell a frekvenciát.
• Minél magasabb a váltakozó áram frekvenciája, annál nagyobbak a vasveszteségek a transzformátorokban és a villamos gépekben ⟶ csökkenteni kell a frekvenciát.

A kompromisszumos optimumot végül 50, illetve 60 Hz-ben szabványosították. A probléma megoldva — hátra is dőlhetnénk. De ahogy várható volt, újabb kihívás jelent meg. A generátor szinkronfordulatszáma a póluspárok számától függ, és egy rendkívül egyszerű képlettel írható le:

Ha csak két póluspárunk van és f = 50 Hz, akkor a szinkronfordulatszám 3000 1/perc; ha négy póluspárunk van, akkor 1500 1/perc. Első pillantásra ez talán nem tűnik különösebben nagy ügynek — mechanikai szempontból azonban óriási problémát jelent.

Minél több a póluspár, annál bonyolultabbá és drágábbá válik a generátor, vagyis a beruházás lassabb és költségesebb lesz — cserébe a hajtó gőzgép alacsonyabb fordulatszámon üzemelhet. A másik lehetőség az, hogy kevesebb póluspárt alkalmazunk, ami egyszerűbb generátort eredményez, viszont ebben az esetben a gőzgépnek jóval nagyobb fordulatszámon kell működnie.

Döcög és pöfög – hú de nem kafa

Newton óta tudjuk, hogy F = m·a; és ha a = 0, akkor F = 0 — vagyis egy test nyugalomban marad, illetve egyenes vonalú egyenletes mozgást végez mindaddig, amíg a rá ható erők eredője nulla. Csakhogy ha valamit mozgásba akarunk hozni — elsőként mondjuk a gőzgép forgattyústengelyét (5. ábra) —, akkor ahhoz erőt kell közölnünk vele.

A logika visszafelé is működik: ha valami mozog, akkor szükségszerűen erők ébrednek benne. Ezek az erők arányosak a tömeggel, a tömeg pedig arányos a térfogattal. Márpedig egységnyi teljesítményre vetítve a nagyobb gép olcsóbb.

Ha növeljük a gőzgép méretét, akkor nagyobb teljesítményt tud leadni — csakhogy ezzel együtt csökkenteni kell a fordulatszámot, mert a mozgás során fellépő tehetetlenségi és úgynevezett „látszólagos” erők nagyon is valóságos terhelésekként jelentkeznek, és könnyen meghaladhatják az akkori szerkezeti anyagok szilárdsági határait. Mondhatnánk erre: semmi gond, majd építünk megfelelő áttételt — egy nagy fogaskereket a gőzgép forgattyústengelyére, egy kicsit pedig a generátor tengelyére. Kész is. Majdnem.

A fordulatszám problémáját ezzel megoldottuk — de a dugattyús gőzgép belsejében továbbra is jelentős erők ébrednek, amelyek rezgéseket keltenek, és ezek egyre nehezebben kezelhetők, nemcsak a gép szerkezeti elemeiben, hanem még az erőgép környezetében lévő alapozásban is.

Rendben, akkor építsünk külön alaptestet — csakhogy a számtalan csuklópont és a hozzájuk tartozó sok apró alkatrész valójában előre időzített meghibásodási lehetőségek egész sorát jelenti.

Nem döcög, hanem simán pörög, eszeveszett gyorsan – na ez kafa

A megoldást végül Charles Algernon Parsons hozta el, aki — Henri Victor Regnault munkásságára építve — elsőként találta meg a saját tengelye körül forgó turbina optimális kialakítását. Parsons első turbinája 1884-ben az akkori viszonyok között döbbenetesnek számító 18 000 1/perc fordulatszámot ért el — mindezt úgy, hogy közben csak minimális rezgést keltett. Ilyen magas fordulatszám mellett pedig a szükséges szinkronfordulat már egy viszonylag egyszerű generátorral is elérhetővé vált…

Parsons gőzturbinájával a dugattyús gőzgépek problémáit gyakorlatilag sikerült megoldani, így az 1900-as évek elejére a mai szénerőművekre jellemző legfontosabb szerkezeti alapok már lényegében kialakultak. A hatalmas kazándobokat még szegecseléssel gyártották, a keletkező gőzt pedig innen vezették a turbinára. A turbinában a gőz kitágult, meghajtotta a turbina tengelyét — azon keresztül pedig a generátort is (6. ábra). A kilépő gőz ezután a kondenzátorba került, ahol lecsapódott, majd a kondenzvíz visszajutott a kazánba — ezzel bezárva a Rankine-kört.

A következő részben alaposan végigvesszük a gőzturbinás körfolyamatot, valamint azokat a lehetőségeket, amelyekkel a hatásfok növelhető. Nem kell megijedni — a termodinamikától nem érdemes félni; kevés ennél logikusabb terület létezik a világon. Talán csak a szilárdságtan… 🙂