Nem csak a vízgőz lehet túlhevített, hanem a politikai viták is. A szénerőművek régóta célkeresztben vannak, a jövőjük a politikai szempontból nem kérdéses, viszont gazdaságilag és műszakilag a meccs még nincs lefutva. A szén elégetésének káros hatásai, például a magas szén-dioxid-kibocsátás és a környezetszennyezés, közismertek. Ennek következtében világszerte erős törekvés van életképes megoldások keresésére – a „zárjuk be, és kész” típusú politikai döntések gyorsan tudnak pár százalékot hozni egy-egy választás során.
Politikai szekérvárak helyett a fizikai valóság az, hogy szénerőművek jövőjét Ázsiában fogják írni – független attól, hogy Európa mit gondol. Energiaéhség és kihívások helyben. Mik a lehetőségek Indiában és Kínában? Helyezzük a kérdést műszaki térbe és járjuk körbe a szénenergia jelenét és jövőjét a most induló, többrészes cikksorozatban. A felvezetőben bemutatom a várható tendenciákat és a kérdéskört a lehető legalaposabban kidolgozva biztos vagyok benne, hogy sok mindent máshogy fogunk látni.
Egy valamit az elején szeretnék leszögezni – műszaki oldalról vizsgálnom a kérdést, oktatási céllal. Az alaptézisem, hogy tények beszélnek, a számok üvöltenek – értelmek és izmusok nélkül. Nem vagyok egyik szervezet tagja sem, az olajiparból kapom a fizetést, alaposan megdolgozva érte 🙂
Követeljük, hogy azonnal zárják be!
Tényleg. Péntek délután vonulnak a nyugat-európai ifjak és süket fülekre találnak. Miért nem zárjuk be?
Mert fizikailag nem tudjuk kiváltani jelenleg. Hogy megértsük miről is van szó, nézzük meg az 1.ábrát. A primer energiafogyasztás Európában, Észak-Amerikában, Óceániában (Ausztrália és környéke) stagnál, Közép- és Dél-Amerika alacsony bázisról kezd növekedni Afrikával karöltve, míg Ázsia rohamléptekben nő. Ázsia önmagában több energiát fogyaszt, mint a többi kontinens együttvéve és még ráteszünk 20000TWh-os hátitáskát. Az ázsiai fogyasztás dinamikáját Kína hajtotta évtizedeken át, de India valószínűleg erre nem egy lapáttal fog rátenni a jövőben.
Persze, adódik a kérdés, miből fedezik ezt az energiaigényt. Itt jön a képbe a főszereplőnk, a szén. Ha a 2.ábrát megnézzük, akkor még 40% feletti a szén részaránya, de elsőre itt is csökkenő tendencia figyelhető meg. A politika most kihúzhatja magát és begyűjtheti az elismeréseket – viszont most jön a kijózanító igazság. Valójában a helyzet nem jobb, hanem rosszabb és ehhez a két diagramot együtt kell vizsgálni. Ha a primer energiafogyasztás meredeken növekszik, akkor a kismértékben csökkenő – sőt 2015 óta lényegében stagnáló szén részaránya tetemes növekedést jelent.
Így már merőben máshogy fest történet, és teljesen a valóságtól elrugaszkodottá teszi a „követeljük, hogy azonnal zárják be” szólamokat. De az igazán megdöbbentő tendenciát a 3.ábra mutatja, ahol szénfogyasztás látható. Ázsia szénfogyasztása elképesztő mértékben nő – és nullázta le az európai törekvéseket nem egészen 10 év alatt. A divergencia az évek alatt csak nőtt – dacára a közben lezajlott klímacsúcsoknak és multilaterális szerződéseknek.
És végül nézzük meg még közelebbről, hogyan is néz ki a helyzet India és Kína viszonylatában. A4.ábra egyértelműen mutatja, ha a szénerőművek jövőjéről van szó, akkor erre a két országra kell fókuszálni.
A diagramban felvettem a szénfogyasztás és a primer energiafogyasztás változását. Kína esetében egy rendkívül erőteljes felfutás volt, Indiánál is egyértelmű a növekedés – 1995-ről 2015-re duplázott az energiafogyasztásban. Noha mára India vált a világ legnépesebb országgá, az egy főre jutó energiafogyasztásban még messze le van maradva Kínától. A nagyhatalmi ambíciókhoz annak megfelelő ipari háttér is dukál, amihez viszont energia is szükségeltetik.
India esetében ott van a vállalás, hogy 50%-ban a megújuló energiákra fognak támaszkodni, azt azonban ne felejtsük el, több 10000TWh energiáról beszélünk a jövőben. Meg kell említeni a nukleáris programokat – a komoly műszaki részvételt a fúziós reaktorok kifejlesztésére irányuló nemzetközi projektekben és a felfutó szél-, nap- és vízenergia beruházásokat, de fele-fele fosszilis-megújuló hányad a kontinensnyi ország esetében még mindig hatalmas CO2 kibocsátást fog jelenteni.
A szén még mindig a legegyszerűbben és legnagyobb mennyiségben kitermelhető energiaforrás marad, hatalmas készletekkel a világ számos részén. 2024-ben 9.1 milliárd tonna volt az éves széntermelés és ha figyelembe vesszük a kb. 1050 milliárd tonna a bizonyított készletet, akkor a jelenlegi kitermelési volumen mellett is 100-110 évre elegendő a tartalék. Éppen ezért nem mindegy, hogyan és milyen módon hasznosítjuk ezt az energiát.
És lőn a fény – meg a gondok
A globális kontextus után térjünk rá a műszaki vonal bevezetésére. A szén-alapú erőművek idestova 200 éve velünk vannak, folyamatosan fejlődnek. Az Ipari Forradalom hajnalán az emberiség először szembesült egy új problémával – nincsen elég energia. Egyre több és több gőz kellett egyre több gép meghajtásához. A kihívás serkentőleg hatott a műszaki- és természettudományok fejlődésére, a korszak számos szellemi géniusza dolgozott a megoldásokon. Az egyre mélyebb matematikai, hőtani tudásra alapozva egyre jobb kazánok készültek, egyre magasabb hőmérséklettel és nyomással.
1882 januárjában – majd 3 évvel az izzólámpa feltalálása után – átadják a világ első, széntűzelésű erőművét, a London belvárosában található Holborn Viaduct 57-es házszám alatt. Az erőmű lelke a Thomas Edison által tervezett, 93kW-os teljesítményre képes generátor volt, amit az erőmű gőzgépe hajtott meg. A generátorból a 110V-os egyenáram kezdetben 968, később 3000 kültéri izzólámpát látott el. Egy évvel később Milánó belvárosa a fénybe borult.
A londoni erőművet ezután több másik követte szerte a világban. Az első amerikai erőmű még ugyanebben évben, szeptember negyedikén nyitotta meg kapuit a Pearl Street 255-257 alatt Manhattan (NY) üzleti negyedében – szintén Edison tervei alapján. A Pearl Street Station hat darab, egyenként 100kW-os gőzdinamóval 1884-re már 508 egyéni fogyasztót és 10164 izzólámpát szolgált ki. A sort 1885-ben Berlin, majd 1886-ban Róma folytatta.
Edison és Tesla
Ha jól megnézzük, erre az időszakra már iparilag érett műszaki megoldásokkal rendelkezett a korabeli erőműtechnika. Viszont akadt némi probléma…
Az egyik ilyen volt a villamos áram továbbításának kérdése volt, ami a jól ismert egyenáram (Edison) váltakozó áram (Tesla) összecsapásban csúcsosodott ki 1885-1886 között. Erre az időszakra a transzformátor – hála a magyar mérnökök felfedezéseinek – a már létező váltakozó áramú rendszerekkel összekötve egyértelműen demonstrálta a jövő útját. Végül a váltakozó áram diadalmaskodott. De ahogy lenni szokott, előjött egy újabb probléma…
Az elektromosság iránti kereslet hatalmas volt, a világ egy újabb ipari forradalom küszöbén állt. Újabb találmányok, újabb felfedezések, de mindenhez elektromos áram kell – és ezt az áramot egyre messzebb kell továbbítani. Rengeteg szereplő lépett a piacra, viszont nem létezett piaci szabályozás, mindenki olyan generátort épített, amilyet akart. Ez párosulva azzal, hogy a dugattyús gőzgépek fordulatszáma sem volt egységes oda vezetett, hogy a villamos áram frekvenciája egy adott erőműre volt csak jellemző. Ez két komoly problémát hozott felszínre:
Az optimumot végül 50 illetve 60Hz-nél szabványosították. Probléma megoldva, dőljünk hátra. Ahogy várni lehetett, újabb kihívás jelentkezett. A generátor szinkron-fordulatszáma a póluspárok számától függ és egy nagyon egyszerű képlettel jellemezhető:
Ha csak kettő póluspárral rendelkezünk és f=50Hz, akkor a szinkron fordulatszám 3000 1/min, ha négy póluspár van, akkor 1500 1/min. Látszólag nem nagy ügy, viszont mechanikailag egy hatalmas probléma. Minél több a póluspár, annál bonyolultabb és drágább a generátor, így a beruházás lassú és költséges, de kisebb lehet meghajtó gőzgép fordulatszáma. Vagy kevesebb póluspár, egyszerűbb generátor, viszont a gőzgépnek magas fordulatszámon kell üzemelnie.
Döcög és pöfög, nagyon nem kafa
Newton óta tudjuk, hogy F=ma=0, vagyis egy test mindaddig nyugalomban marad vagy egyenes vonalú egyenletes mozgást valósít meg, amíg a rá ható erők eredője zérus. Viszont ha valamit mozgatni szeretnénk – kezdésnek a gőzgép főtengelye (5.ábra) – akkor oda kell némi erőbefektetés. A történet visszafelé is igaz, ha valami mozog, ott bizony erők ébrednek. Az erők arányosak a tömeggel, a tömeg pedig a térfogattal. A nagy gép pedig fajlagosan olcsóbb.
Ha növeljük a gőzgép méretét, akkor nagyobb teljesítményre képes, viszont a fordulatszámot le kell csökkenteni, mert a mozgás során fellépő fiktív erők (nagyon is valóságos erők, de csak akkor léteznek, ha a test mozog) az alkalmazott szerkezeti anyagok szilárdságát meghaladják. Erre mondhatnánk, sebaj, majd építünk megfelelő fogaskerék áttételeket – jó nagy fogaskereket a gőzgép főtengelyére és egy kis fogaskereket a generátor tengelyére. Majdnem jó. A sebesség problémáját megoldottuk, viszont dugattyús gőzgépünkben továbbra is nagy erők ébrednek, amik egyre inkább kezelhetetlenné váló vibrációkat hoznak létre nem csak a szerkezeti elemekben, hanem a gőzgépet körülvevő üzem alapozásában is.
Jó, csináljunk külön alapozást – de számtalan forgáspont megannyi kis alkatrésze egy-egy időzített káresetet jelent.
Gyorsan forog és nem vibrál, nagyon kafa
A megoldást végül Charles Algernon Parsons hozta el, aki Henri Victor Regnault munkásságára alapozva elsőként megtalálta az optimális megoldást a saját tengelye körül forgó turbina kialakítására. Parsons első turbinája 1884-ben az akkoriban elképesztő, 18000 1/min fordulatszámot érte el – minimális vibráció mellett. Ilyen magas fordulatszám mellett viszont egyszerű generátorral is elérhető a szinkronfordulatszám…
Parsons gőzturbinájával a dugattyús gőzgépek összes problémája megoldódott, így lényegében az 1900-as évek elejére a mai szénerőművekre jellemző, legalapvetőbb szerkezeti elemek már rendelkezésre álltak. Hatalmas kazándobok készültek szegecseléssel, majd a gőzt a turbinába vezették. A gőz a turbinában expandált és meghajtotta a turbina tengelyét és vele együtt a generátort is (6.ábra). A fáradt gőzt ezután a kondenzátorba vezették, ahol lecsapódott, majd a kondenzvizet visszavezették a gőzkazánba – ezzel megvalósítottuk a Rankine-körfolyamatot.
A következő részben alaposan szemügyre vesszük a gőzturbinás körfolyamatot, szó lesz a lehetséges hatásfok-növelési lehetőségekről. Nyugi, a hőtantól nem kell félni – kevés logikusabb tantárgy van a világon ennél. Talán a statika 🙂
