Bevezetés és alapfogalmak

A primer vagy elsődleges energiahordozók a természetben található, eredeti állapotban lévő energiahordozók (ásványi szén, kőolaj, földgáz, nukleáris energiahordozók) az energetikai folyamatok kiinduló közegei. A primer energiahordozók mintegy 10%-át eredeti állapotukban használják fel a fogyasztók. A fennmaradó 90% egy részét kezelésnek vetik alá. A szenet aprítják, osztályozzák; a szénhidrogéneket tisztítják, különböző halmazállapotú komponensekre bontják. A kezelés ugyan módosítja, de alapvetően nem változtatja meg az energiahordozó sajátosságait.

Primer vagy elsődleges energiaforrások: a természetben található és munkavégzésre használható erők (napsugárzás, szél, áramló víz, tengeri energia, biomassza, geotermális hő).

A szekunder vagy átalakított energiahordozók a primer energiahordozókból származó, de azoktól lényegesen eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező új energiahordozók. Egyértelműen ide tartozik a kazánban fejlesztett gőz, meleg víz, a villamos energia, a koksz, a cseppfolyósított földgáz, a különböző olajtermékek, a nukleáris fűtőelemek.

Fosszilistüzelőanyagok a földkéregben található szén-, olaj- és földgázkincs; tehát az éghető tüzelőanyagok.

Fissziósüzemanyagok a nehéz atommagok hasításán alapuló, atomreaktorokban felhasznált anyagok (pl. urán).

Fúziósüzemanyagok a könnyű atommagok egyesítésével járó energiaátalakítás energiahordozói (pl. deutérium, trícium).

Végső energiahordozóknak nevezzük azokat az elsődleges vagy átalakított energiahordozókat, amik közvetlenül a fogyasztóhoz kerülnek, ahol hasznos energiává alakítják őket.

Hasznos energiahordozókkal elégítjük ki a fogyasztók igényeit. Ide tartozik a hő, a mechanikai munka, a fény és egyéb sugárzások energiája, az információ és a kémiai energia.

Az energiahordozó útját a kitermeléstől a végső felhasználásig az 1.4.1.1.ábra mutatja, míg mennyiségi folyamatait Magyarország vonatkozásában a 2009. évre az 1.4.1.2.ábra. Az energetikai vertikum kapcsán értelmezzük az energiaellátás és az energiafelhasználás hatásfokát (lásd 1.4.1.3.ábra), amely szemléletes képet nyújt a nemzetgazdaság általános fejlettségéről.

1.4.1.1. ábra

1.4.1.2. ábra Forrás: Magyar Energia Hivatal

1.4.1.3. ábra

A ma ismert elsődleges energiahordozók és -források a 1.4.1.4.táblázat szerint csoportosíthatók. Ez a csoportosítás elvi szempontból ugyan kifogásolható, hiszen a kimerülő és megújuló energiahordozók és -források megkülönböztetése csupán az önkényesen választott (mértékadónak tekintett) időtartamtól függ.

Tulajdonképpen az energiahordozók és -források minden fajtája újraképződik és folytonosan megújul, csupán a kiaknázás ütemén múlik, hogy egy energiahordozó, -forrás abszolút mennyisége a Földön a kimerülés felé tart-e. Ugyanakkor a megújuló energiaforrások sem garantáltak.

Az 1.4.1.4.táblázat beosztása logikailag sem töretlen. A napenergia sem egy forrás a sok közül, hanem a Földön előforduló energiahordozók és -források szinte kizárólagos forrása. Az idők folyamán szénné és kőolajjá alakult szerves maradványok is a Napból nyerték energiájukat. Energetikailag legnagyobb jelentősége a Föld felszínére jutó napsugárzásnak van. Ezen elektromágneses hullámok forrása a Napban lejátszódó fúziós reakció, aminek teljesítményét 3×10⁸EW-ra becsülik. Ebből az energiaáramból a Földre 0,173EW jut, aminek szinte a teljes mennyisége különféle folyamatok lejátszódása után az atmoszférába kerül, majd onnan kisugárzódik a világűrbe.

A Földre érkező napsugárzásnak mintegy 30%-a már a légkörből visszaverődik és szóródva a világűrbe távozik.

További 17,4%-ot a légkör alkotóelemei nyelnek el (ózon, felhők, vízgőz és lebegő szilárd részecskék). A légkör főleg az ultraibolya és infravörös spektrumba eső hullámokat nyeli el, így a földfelszínre jutó 51,6%

energiahányad a látható fény tartományában a legintenzívebb. A felszín a beérkező teljes sugárzás 4,2%-át közvetlenül visszaveri. A felszínt tehát a beérkező sugárzás 47,4%-a melegíti, amiből a felületek arányában 33%

jut a tengerekre és 14,4% a szárazföldekre. A felmelegedett felszín a hő egy részét infravörös hullámok formájában kisugározza, ennek aránya a teljes sugárzás 18%-a. A beeső napsugárzás 46,8%-a elnyelődik és hővé alakul át az atmoszférában, a tengerek vizében és a földkéregben. Ez az energiahányad szabja meg a bioszféra hőmérsékleti viszonyait és az élet feltételeit. Ez az energiamennyiség különböző folyamatok után az atmoszférán keresztül a világűrbe távozik.

1.4.1.4. ábra

A kimerülő primer (elsődleges) energiahordozók köre a társadalmi fejlődés során fokozatosan bővült, ahogy a technika előrehaladása újabb források kiaknázása előtt nyitotta meg az utat. Ez a folyamat nemcsak az energiabázis bővülése miatt volt jelentős, hanem nagymértékben visszahatott a technika és a termelési technológia fejlődésére is. Az energetikai berendezések mindig a legdinamikusabban változó munkaeszközök közé tartoztak, a nagy technikai előrelépések többnyire összekapcsolódtak az energetika új vívmányaival. A felhasznált primer energiahordozók aránya, az energiahordozó-szerkezet a fejlődés során állandóan változott.

Hangsúlyozni kell, hogy az újabb energiahordozók mindig előnyösebb gazdasági és műszaki jellemzőik miatt kerültek előtérbe, és sohasem azért, mert a korábban hasznosított energiaforrások kimerültek. Az energiaszerkezetnek ez az átalakulása ma is folyik és a jövőben is folytatódni fog, bár ma már egyre inkább előtérbe kerül az egyes energiahordozók kimerülése miatti szerkezetátalakítás is.

Az emberiség hosszú ideig csupán saját fizikai munkavégző képességére volt utalva. Az emberi izomerő meglehetősen kis teljesítményt reprezentál, átlagértéke 50−100W, és csak rövid ideig tudja ennek többszörösét kifejteni. A fizikai munkavégzés egy napi lehetősége (1,5−3,0MJ) 100g szén hőegyenértékét is alig éri el. Bár sok munkafolyamatnál ma sem nélkülözhető az ember fizikai munkája, részesedése a világ energiamérlegében elhanyagolhatóan kis értékre csökkent. Magyarország munkaképes lakosságának összesített elméleti munkavégző képessége 3PJ/év körüli érték, ami az ország energiamérlegének negyed százalékát sem teszi ki, a ténylegesen végzett fizikai munka pedig ennél egy-két nagyságrenddel kisebb. Atechnikailag fejlett társadalmakban teljesen elvesztette jelentőségét az állati izomerő is. Asok gondozást és táplálást igénylő igásállatok néhány 100W-os teljesítménye valaha nagy segítséget jelentett a mezőgazdaságban és a közlekedésben, de ma már csak a fejlődésben elmaradt országokban játszanak szerepet. Az emberi és állati izomerő a XIX.század elején még a világ energiaigényének számottevő részét fedezte, a XX.század elejére aránya már néhány százalékra csökkent, és napjainkban már egy ezreléket sem ér el. Hasonló fejlődés jellemzi a magyar energiamérleget is.

Az energetikai potenciál első jelentős bővülését a tüzelőanyagok megjelenése jelentette. Akezdet a növényi, állati és háztartási hulladékok, valamint a tűzifa elégetése révén nyert hő hasznosítása volt. Ezek a tüzelőanyagok ma már csupán a gazdasági fejlődésben elmaradott országokban játszanak számottevő energetikai szerepet, néhol a felhasznált tüzelőanyagoknak a felét is meghaladja a mezőgazdasági hulladék (szárított trágya, növényi maradékok). A tűzifa hosszú ideig a legfontosabb volt a tüzelőanyagok között, de később már nem tudott eleget tenni az ipari fejlődés igényeinek, napjainkban ismét reneszánszát éli, elsősorban a lakosság fűtési energiaigényeinek kielégítésében, de szerepet kap az erőművek villamosenergia-termelésben is.

A világ tüzelőanyag-felhasználásában a tűzifa ma csupán 2−4%-ot tesz ki, a hulladékok részesedése pedig még ennél is kisebb. Ezért ezek most már kívül is esnek az energetikai statisztikai megfigyelés körén, és minthogy nem tárgyai nemzetközi árucsere-forgalomnak, „nem kereskedelmi tüzelőanyagok”-nak minősülnek. A hulladékok hasznosítása a fejlett társadalmakban ismét előtérbe kerül, azonban az így nyerhető energia szinte melléktermék, a fő feladat a szemét eltüntetése.

Napjaink legfőbb elsődleges energiahordozói –a szénhidrogének, az olaj és a földgáz– együttesen a világ energiaigényeinek mintegy kétharmadát biztosítják. A tudomány egyre újabb energiaforrásokat tesz hozzáférhetővé az emberiség számára. Az energiaellátás fokozódó gondjai és terhei világszerte az érdeklődés előterébe állították az új energiaforrások kutatását. Jelentős összegeket fordítanak a kutató-fejlesztő tevékenység szervezettebbé és célratörőbbé tételére. Nagy reményeket fűznek a napsugárzás és a Föld kérgében levő hő nagyarányú hasznosításához, aminek az elvi lehetőségét kis léptékű, speciális berendezések már bizonyítják.

Szinte észre sem vettük, hogy megkezdtük a gravitáció kiaknázását is, hiszen az első árapály-erőművek már néhány éve üzemben vannak. Még nem sikerült létrehozni stabil, szabályozott fúziót, de a nagyarányú kutató tevékenység biztosan pozitív eredményre fog vezetni, ami újabb, hatalmas energiaforrások kiaknázása előtt nyitja meg az utat.

Valószínű, hogy a tudomány még sok meglepetést tartogat az energetika számára is. Ki merne ma jóslásokba bocsátkozni, hogy további években milyen új utakat fog feltárni a fizika? Azt viszont már a jelenlegi ismereteink alapján is kijelenthetjük, hogy a társadalmi fejlődés energetikai háttere hosszú időre biztosítható.