Szénerőmű: előnyök, hátrányok, elterjedtség Európában

A szén alapú energiatermelés hosszú évtizedeken át meghatározó szerepet töltött be Európa és az egész világ energiarendszerében, különösen az ipari forradalom óta. A világ azonban változik, amit legjobban az mutat, hogy például Nagy-Britanniában a 2024 végéig tartó átállás a szén fokozatos kivonásával zárul, melyet a szénmentesítés törekvése ösztönöz.

Mi az a szénerőmű?

Az első nagy lépés 1882-ben történt, amikor Thomas Edison Holborn Viaduct erőműve megkezdte működését. Ez az erőmű úttörőnek számított, ugyanis elsőként használt fel szenet nagy mennyiségű elektromos energia előállítására, mely akkor 1000 lámpát világított meg London városában. Az akkor forradalmi technológia olyan alapokat teremtett, amelyek hosszú évtizedekig meghatározták az energiaipart.

A villamosenergia-termelés szénmentesítése napjainkban azt jelenti, hogy olyan energiaforrások kerülnek előtérbe, amelyek nem bocsátanak ki szén-dioxidot. Nagy-Britannia célja, hogy ezzel az átalakulással jelentősen csökkentse az üvegházhatású gázok kibocsátását, és a világ többi részével együttműködve tisztább, fenntarthatóbb jövőt biztosítson.

Hogyan termel energiát a szénerőmű?

A szénnel történő áramtermelésnek az elve azóta sem változott jelentősen. Hiszen az alapelv ma is az, hogy a szén elégetésével hő keletkezik, amely vizet alakít át gőzzé. Ez a gőz hajtja meg a turbinákat, amelyek az áramot előállítják. Ez a módszer igen hasonló a modern gázüzemű erőművek működéséhez, hiszen mindkettő hőenergiát használ fel az áram előállítására.

Amikor a szén ég, kémiai reakciók sorozata zajlik le. A szénben „tárolt” energia hővé alakul, miközben a levegő oxigénjével egyesül. Ezzel együtt ugyanakkor szén-dioxid és metán is keletkezik, amelyek viszont üvegházhatású gázok így nagyban hozzájárulnak a globális felmelegedéshez.

A 19. század végétől egészen a 20. század közepéig a szén dominált Nagy-Britannia energiatermelésében. A csúcsot az 1990-es évek elején érte el, amikor az ország energiatermelésének több, mint 60%-át szén biztosította. Azonban a gázpiac fellendülése új irányt mutatott, és ezzel együtt a szén szerepe fokozatosan háttérbe szorult.

A szén, azonban a világ egyik legbőségesebb fosszilis tüzelőanyaga, és mint ilyen, továbbra is kulcsfontosságú energiaforrás a villamosenergia-termelésben. Különösen a gőzszén, vagyis a hő-szén az, ami széles körben alkalmazott az erőművekben.

Nézzük most meg részletesen, hogy miként alakul át ez a fekete kőzet az otthonainkat és iparunkat működtető elektromos energiává!

A szénpor útja a tüzelőtérig

A folyamat a szén finom porrá őrlésével kezdődik. A porlasztás növeli a szén felületét, ezáltal sokkal gyorsabbá és hatékonyabbá válik maga az égés.

A porlasztott széntüzeléssel működő (PCC) rendszerekben a finom szénport légárammal juttatják a kazán tüzelőterébe. A kamrában a szénpor meggyullad, és rendkívül magas hőmérsékleten égve jelentős mennyiségű hőenergiát szabadít fel.

A hőenergia hasznosítása gőztermelésre

A tüzelőtérben keletkező intenzív hő tulajdonképpen a víz gőzzé alakítását szolgálja. A víz a kazán falait bélelő csöveken keresztül kering, és a hő hatására (annak elnyelése során) magas nyomású gőzzé alakul át.

A gőz segítségével pedig olyan hőmérséklet és nyomás érhető el, amely elegendő a turbinák meghajtásához.

A gőz átalakítása mechanikai energiává

A magas nyomású gőzt egy turbinába vezetik, amely több ezer propellerszerű lapátot tartalmaz, amelyeket a gőz átáramlása a lapátokon gyors forgásra ösztönöz. Ez a forgó mozgás igen nagy sebességgel képes meghajtani a turbina tengelyét, ami ezáltal hatékonyan alakítja át a gőz hőenergiáját mechanikai (mozgás-)energiává.

Villamos energia előállítása mágneses térrel

A turbina tengelyéhez egy generátor kapcsolódik, amely gondosan tekercselt huzalokból áll. A tengely forgása során a tekercsek egy erős mágneses térben forognak a generátor belsejében. Ez a mozgás az elektromágneses indukció elve alapján pedig elektromos áramot hoz létre a tekercsekben, így termelve villamos energiát.

A gőz újrahasznosítása és az energia továbbítása

A turbina után a gőz elveszíti energiájának nagy részét, és visszakondenzálódik vízzé. Ezt a vizet visszajuttatják a kazánba, hogy ott újra felmelegítsék, létrehozva egy zárt, jól működő rendszert, amely maximalizálja a hatékonyságot.

A generált villamos energiát, amely kezdetben alacsonyabb feszültségű, akár 400 000 voltos magasabb feszültségűre is átalakíthatják – az elektromos hálózatokon keresztüli hatékony továbbítás érdekében.

Az elektromosság eljuttatása a fogyasztókhoz

A nagyfeszültségű villamos energia nagyon minimális energiaveszteséggel halad végig az átviteli vonalakon, akár hatalmas távolságokra is. A fogyasztási pontokhoz, például a lakóövezetekhez közeledve, a feszültséget biztonságosabb szintekre csökkentik, általában 100 és 250 Volt közé, amely már alkalmas a háztartási hasznosításra. Így az otthonainkba érkező elektromosság biztonságos és kompatibilis a hazai háztartási készülékekkel.

Fejlesztések a hatékonyságban és a kibocsátás csökkentésében

A hagyományos PCC erőművek tervezésében folyamatos fejlesztések zajlanak, újabbnál újabb tüzelési technológiákat dolgoznak ki.

A cél minél több villamos energia előállítása a lehető legkevesebb szén felhasználásával, az üzemanyag-fogyasztás és a károsanyag-kibocsátások csökkentése mellett. Ezt az erőművek hő-hatékonyságának javításaként aposztorfálják.

Magas Hatékonyságú, Alacsony Kibocsátású (HELE) Erőművek

A HELE erőművek a hagyományos erőművekhez hasonlóan működnek, de lényegesen magasabb hőmérsékleten és nyomáson. A HELE kazánjai a továbbfejlesztett gőzparaméterek miatt magasabb hatékonyságot érnek el, mint a korábbi, hagyományos szubkritikus rendszerek.

A HELE rendszerekben a víz szuperkritikus állapotot ér el – a folyékony és gáz halmazállapot közötti fázisban – ami lehetővé teszi a hatékonyabb gőzciklusokat és ezáltal a csökkentett szénfogyasztást.

Integrált Gázosítású Kombinált Ciklusú (IGCC) Rendszerek

Az IGCC rendszerek alternatív és ugyanakkor innovatív megközelítést kínálnak. A folyamatban a szenet oxigénnel és gőzzel reagáltatják magas nyomáson, hogy szintézisgázt vagyis „szingázt” állítsanak elő, amely főként hidrogénből és szén-monoxidból áll.

A megtisztított szingázt egy gázturbinában elégetik, ezzel villamos energiát termelve és gőzt állítva elő egy másodlagos erőművi ciklushoz. A gázosítás valamint a gáztisztítás során keletkező hőt újrahasznosítják a gőzciklusban vagy felhasználják a levegőelválasztó egységben sűrített levegőként, tovább növelve az általános hatékonyságot.

Egy fenntartható energetikai jövő felé

A szén alapú villamosenergia-termelés fejlődése és az energiahatékonyság javítása egyértelműen a környezeti hatások csökkentése iránti elkötelezettséget tükrözi. A már említette, fejlett technológiák (mint a HELE és az IGCC) alkalmazásával, az erőművek sokkal kevesebb szénből több villamos energiát képesek előállítani, alacsonyabb üvegházhatású gázkibocsátás mellett.

Mik az előnyei a szénerőműveknek?

A szén globálisan az egyik legnagyobb energiaforrás, amely több mint egyharmadát adja a világ villamosenergia-termelésének. Ennek a fosszilis tüzelőanyagnak az intenzív szén-dioxid-kibocsátása ugyan komoly környezeti hatással jár, azonban a szén rendelkezésre állása és felhasználási lehetőségei miatt továbbra is kulcsszerepet játszik az energiatermelésben.

Bár egyre több ország tér át olyan megújuló forrásokra, mint a napenergia vagy a szélenergia, a szén ipari felhasználása, különösen a vas- és acélgyártásban, még mindig kiemelt jelentőséggel bír. Ennek egyik fő oka az, hogy az ilyen típusú ipari folyamatokhoz szükséges technológiai alternatívák egyelőre nem állnak széles körben rendelkezésre.

A fenntartható jövő felé vezető út

A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) 2050-re vonatkozó Nettó Zéró Károsanyag-kibocsátás forgatókönyve egészen világos útmutatást ad. Eszerint 2040-re minden olyan szén alapú energiatermelést le kell állítani, amely nem használ fel szén-dioxid-megkötési technológiákat.

Elengedhetetlen ugyanis a globális felmelegedés mérsékléséhez és az energia átmenet sikeréhez. Az átállás során a meglévő szénerőművek fokozatos leállításával párhuzamosan nagy szükség lesz a megújuló energiaforrások és innovatív technológiák olyan irányú fejlesztésére, amelyek által végeredményben képesek lehetünk kiváltani a szén ipari alkalmazását is.

A szén kivezetése az energiamixből talán a legfontosabb lépés a klímaváltozás mérsékléséhez. A legszennyezőbb fosszilis tüzelőanyagként a szén 2022-ben a globális villamosenergia-termelés 36%-át adta, azonban ez az arány 2030-ra mindössze 4%-ra kell, hogy csökkenjen, és 2040-re el kell érnie a 0%-ot.

A drasztikus csökkenés elérése kulcsfontosságú ahhoz, hogy a globális hőmérséklet-emelkedést 1,5 Celsius-fokon belül tarthassuk, és elkerülhessük a klímaválság legsúlyosabb következményeit – állítja a Climate Action Tracker egyik ambiciózus forgatókönyve.

A szén kivezetésének sürgőssége ráadásul nem korlátozódik pusztán az energiaszektorra. A szén eltávolítása elengedhetetlen más gazdasági ágazatok dekarbonizációjához is – így végeredményben a zöld technológiák, például az elektromos járművek, hőszivattyúk és elektromos ipari folyamatok működése tisztább, megújuló energiaforrásokkal valósulhat meg.

Amennyiben azonban az elektromos hálózat nem válik rövidesen karbonmentessé, ezek az innovációk továbbra is a fosszilis energiahordozókra kell támaszkodjanak, ezzel aláásva a rövid és hosszútávú elérhető környezeti előnyöket.

Bár a szén globális energiafelhasználáson belüli aránya az elmúlt években fokozatosan csökkent, a jelenlegi ütem nem elegendő ahhoz, hogy időben elérjük a klímacélokat. A csökkenés sokkal gyorsabban kell, hogy megtörténjen.

Ahhoz azonban, hogy ebben élen járjanak a gazdagabb, fejlettebb országok vannak a legjobb helyzetben, mivel több pénzügyi erőforrással rendelkeznek, és kevésbé függnek a széntől – így nekik kell(ene) elsőként elérniük a szénmentes állapotot. Ugyanakkor minden országnak, függetlenül attól, hogy mennyire támaszkodik a szénre, gyors és határozott átállásra van szüksége, hogy még időben érdemi hatást érhessünk el.

A szén kivezetésének a szükséges ütemben történő végrehajtása óriási kihívás, de nem lehetetlen. Több ország bebizonyította már, hogy a gyors és következetes elmozdulás a szén felhasználásának csökkentése felé igenis elérhető cél. Azonban minden nemzetnek meg kell találnia ehhez a saját útját.

A korai tisztaenergia-átállók példaként szolgálhatnak azon szénfüggő országok számára, amelyek még küzdenek a jövőbeli megoldások megtalálásával. Tapasztalataik értékes tanulságokat kínálhatnak arra nézve, hogyan lehet gazdasági és társadalmi szempontból is kezelni ezt az átállást, miközben az energiaellátás biztonságát is zavartalanul biztosítják.

Mik a hátrányai a szénerőműnek?

Az energiaigény folyamatos növekedése új kihívások elé állítja a világ országait. A lemaradt gazdasági fejlődés és a növekvő népesség miatt sok ország továbbra is csak a szénre tud támaszkodni a stabil áramellátás érdekében.

Emellett a fémiparban számos olyan folyamat van, amely még igényli a szén magas széntartalmát, illetőleg ami nélkülözhetetlenné teszi annak felhasználását. A kormányzatok és az ipar szoros együttműködése ezért elengedhetetlen a tisztább és hatékonyabb technológiák fejlesztéséhez.

A szén-dioxid-megkötésére, hasznosítására és tárolására (CCUS) szolgáló technológiák pedig kiemelt fontosságúak a szénfelhasználás környezeti hatásainak mérséklésében.

Aktuális trendek és az azonnali cselekvés szükségessége

2022-ben a szénalapú áramtermelés rekordmagasságokat ért el globális szinten. A szénerőművek szén-dioxid-kibocsátása jóval meghaladta a korábbi éveket, amelyben jelentős szerepet játszott a földgáz árának emelkedése továbbá gerjesztően hatottak az energiapiaci feszültségek is.

Bizonyos geopolitikai események, mint például Oroszország ukrajnai katonai inváziója, és a gyakori extrém időjárási helyzetek szintén jelentős nyomást gyakoroltak az energiafelhasználási rendszerekre, ami miatt sok ország ismét a szénhez volt kénytelen fordulni annak érdekében, hogy biztosítsa az áramellátást.

Bár az áramtermelésben tapasztalt szénhasználat növekedése egyes régiókban akár átmeneti jelenség is lehet, ez a tendencia sajnos jelentősen eltér attól az úttól, amelyet a már említett IEA 2050-es forgatókönyve irányként megfogalmazott. A globális szénalapú áramtermelés csökkentése 2030-ra így körülbelül már közel 55%-os mérséklést tesz majd szükségessé.

A globális együttműködés jelentősége

A szénfelhasználás csökkentése érdekében széleskörű intézkedésekre van szükség. A kormányzatok ösztönzési rendszerei mellett az iparágak is szerepet kell vállaljanak a fenntartható energiaforrásokba való befektetéssel és a tisztább technológiák alkalmazásával.

Az olyan fejlesztések, mint a CCUS, jelentős előrelépést hozhatnak a szénfelhasználás környezetbarátabbá tételében. Emellett persze a fogyasztói tudatosság növelése is fontos szerepet játszik, sőt, hiszen a tisztább energiák iránti kereslet az, ami a legjobban elősegíti a szén fokozatos kivezetését az energiatermelésből.

Az energiaátmenet azonban nemcsak a klímavédelem érdekében történik, az épp oly lényeges a fenntartható gazdasági növekedés, az új munkahelyek teremtése és az egészségesebb környezet kialakítása szempontjából is. Az innovációs folyamatok révén ugyanis hosszú távon egy tisztább és fenntarthatóbb jövő érhető el.

A világ sürgető feladata a szén arányának drasztikus csökkentése a globális villamosenergia-termelésben a mostani nyolc éves ciklusban

Az az ambiciózus cél, hogy a káros üvegházhatású gázok kibocsátásának mérséklése érdekében a 2022-es 36%-ról 2030-ra 4% alá kell vinni a szén felhasználási arányát gyors és összehangolt intézkedéseket igényel.

A szén használatát (a 2000es évektől számítva) leggyorsabban visszaszorító országok példái értékes tapasztalatokkal szolgálhatnak atekintetben, hogy hogyan gyorsítható fel az átállás folyamata.

Jelenleg Görögország és az Egyesült Királyság vezeti a listát; ők azok, akik a szén felhasználását a globális célokhoz képest sokkal gyorsabb ütemben csökkentették. Sikereik bizonyítják, hogy erős politikai támogatással és célzott stratégiai beruházásokkal a gyors változás lehetséges.

Dánia, Spanyolország, Portugália, Izrael, Románia, Németország, az Egyesült Államok és Chile szintén jelentős előrelépéseket tettek a széntől való elszakadás érdekében.

A tíz ország közül mégis Portugáliát emelnénk most ki; ugyanis teljesen megszüntette a szén használatát a saját energiamixében. És bár Ausztria és Belgium is elérték a szénmentes villamosenergia-termelést, ők mégis hiányoznak a top 10-ből, mert eredetileg is igen kevés szenet használtak vagy sokkal lassabb ütemben vezették azt ki.

A példák megmutatják, hogy néhány ország már sikeresen megszabadult a széntől, ám a globális szinten kitűzött mérföldkövek elérése a megadott időkereten belül még mindezek ellenére is igen komoly kihívást jelent.

Ugyan az egyes, általunk is fentebb kiemelt országok gyors átállása inspirációt és iránymutatást nyújthat arra vonatkozóan, hogy megfelelő politikai döntésekkel, technológiai innovációval és közösségi támogatással milyen eredmények érhetők el, a jelenlegi feladat azonban a sikerek sokkal szélesebb körű megismétlése, a 2030-as határidő (és a tervezett értékek) betartása érdekében.

Mennyire elterjedtek Magyarországon és Európában a szénerőművek?

Bár a megújuló energiaforrások egyre inkább előtérbe kerülnek, a szénenergia továbbra is alapvető szerepet tölt be a világ energiaellátásában így a globális energiahelyzet alakulása az elmúlt években jelentős változásokat mutat. Jelenleg több mint 6000 szénerőmű működik világszerte, különösen Ázsiában, ahol Kína és India e téren kiemelkedő országok.

Kína önmagában közel a globális szénerőmű-kapacitás felét biztosítja, ami jól mutatja, hogy mekkora az igény az olcsó és megbízható energiára. Bár a zöldenergia-projektek előretörése folyamatos, a szén alapú áramtermelés gyorsabban képes reagálni az ország növekvő energiaigényeire.

Az Egyesült Államokban más a helyzet: a szén aránya jelentősen visszaesett az áramtermelésben és egyre több szénerőművet állítanak le. 2023-ban már csak a teljes energiamix egyötödét adta, és az előrejelzések szerint ez az arány tovább csökken a következő években.

Az amerikai szénfogyasztás csökkenése mögött az áll, hogy a földgáz és az olyan megújuló energiaforrások, mint a nap- és szélenergia, igen gyors ütemben terjednek. Ennek fő oka az, hogy a földgáz sokkal alacsonyabb költséggel és kisebb környezeti hatással jár, így ideális helyettesítője a szénnek.

A világ más részein a szabályozások szigorítása és az új technológiák terjedése mellett a szén továbbra is fontos szerepet játszik az energiaellátásban, különösen azokban az országokban, amelyek gazdasági növekedése erősen energiaigényes. A globális energiaátalakulás útja tehát összetett és régiónként változó.

Magyarország energiaszektorának átalakítása célzottan növeli az energiabiztonságot és a szén-dioxid-mentesítés felé halad. Az ország 2030-ra 90%-ban alacsony szén-dioxid-kibocsátású villamosenergia-mixet kíván elérni.

A nukleáris energia és a napenergia növekvő részesedése jelentős szerepet játszik ebben az átmenetben, hiszen a Paksi Atomerőmű jelenleg is az ország áramtermelésének majdnem felét adja. A megújuló energiaforrások terén a napenergia különösen gyorsan terjed, egyre több háztartás telepít saját napelemes rendszert. Bár a szélenergia lehetőségei is jelentősek, a fejlesztések ezen a téren még nem tudtak kiemelkedő eredményeket hozni.

A geopolitikai változások, különösen az ukrajnai háború hatásai, új kihívásokat hoztak a magyar energiabiztonság területén. Ennek eredményeként a kormány a tervezettnél több hazai gáz- és szénkitermelést kezdeményezett, miközben a klímavédelmi célok elérése érdekében a megújuló energiaforrásokra történő átállás hosszú távú célja változatlan maradt.

Az ország végső energiafogyasztását 2050-re kívánja 500 petajoule-ra csökkenteni, ehhez az energiahatékonysági intézkedések nagyobb mértékű alkalmazására van szükség, különösen a közlekedés és az ipar területén. A megújuló energiaforrások, mint a geotermikus energia és a napenergia használatának előtérbe helyezése segíthet az energiafüggetlenségi célok elérésében.

A Mátrai Erőmű környezetvédelmi engedélyét 2029 végéig meghosszabbította a kormányhivatal. Az eredeti menetrend szerint a legszennyezőbb magyarországi erőműnek 2025-ben le kellene állni – és nemcsak a klímacélok teljesítése okán: az itteni energiatermelés masszívan veszteséges.

Magyarország hosszú távú stratégiája egy tisztább, fenntarthatóbb energiarendszert irányoz elő, ahol az atomenergia és a napenergia mellett a hidrogénalapú technológiák is fontos szerephez juthatnak a jövőben.

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, tartalom specialista. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.