Kép: Depositphotos/Frank-Peters

Ön hogyan látja a megújuló energiaforrások felhasználásának fejlődését? Ez a fejlődési ütem megfelel a várakozásainak, vagy lassabb, netán gyorsabb annál?

– Európában egyértelműen lassabban terjed a megújulók felhasználása, és kisebb szerepet játszanak az energiaellátásban, mint azt korábban várni lehetett, illetve ahogy azt a döntéshozók előirányozták. Magyarországon a fejlődés még lassabb, még inkább elmarad a várakozásoktól. Úgy látom, hogy a megújulókban rejlő lehetőségek kiaknázásában jelenleg főként Kína és Észak-Amerika diktálja a tempót: ott telepítik a legtöbb megújuló energiaforrásokat kiaknázó infrastruktúrát, és ott tudják ezeket a legsikeresebben integrálni a meglévő energetikai rendszerbe. Kína hozza létre a globális megújuló villamosenergia-termelés legnagyobb hányadát, utána az Egyesült Államok, Brazília, Kanada és India következik.

Ön szerint mi szükséges ahhoz, hogy a megújulók a jelenleginél nagyobb szerepet kapjanak az európai és a magyar energiatermelésben, és hatékonyabban illeszkedjenek az energiaellátó rendszerbe?

– Ennek kulcsa a megújuló energiaforrások szállítható és tárolható energiahordozókká alakításában rejlik. E két fogalmat gyakran összekeverik, illetve egymás szinonimájaként használják, noha mást jelentenek. Az energiaforrás az energia elsődleges forrása, például a Nap, míg az energiahordozó az energia tárolására és szállítására alkalmas közeg. Ez az esetek többségében az elektromosság, hiszen a legtöbb megújuló energiaforrásból (például a napsugárzásból vagy a szélenergiából) villamos ener­giát állítunk elő, és azt tároljuk, illetve szállítjuk a felhasználás helyére. Bár végső soron a szélenergia is a Napból származik, hiszen a Földet érő napsugárzás hozza létre azt a hőmérséklet-különbséget, amely a szél kialakulásá­hoz szükséges. Tehát a megújuló energiaforrások hasznosításában szerepet játszó legfontosabb energiaátalakí­tók legtöbbje villamos energiát hoz létre. A leggyakrabban említett nap- és szélenergián kívül Magyarországon még jelentős megújulónak tekinthető a geotermikus energia is, máshol a világon pedig ebbe a kategóriába sorolják még például az ár-apály ingadozásban rejlő mozgási energiát is, amelyet speciális erőművekkel lehet kiaknázni. Az elsődleges energiahordozó azonban szinte minden esetben az elektromos áram. A mi kutatócsoportunk pedig leg­főképpen azt vizsgálja, hogy ezt a villamos energiát hogyan lehet hosszabb-rövidebb ideig, akár hónapokon keresztül hatékonyan szállítani, tárolni és szükség sze­rint továbbalakítani: melyek az erre a célra rendelke­zés­re álló módszerek előnyei és hátrányai.

Az energiaforrás az energia elsődleges forrása – például a Nap –, míg az energiahordozó az energia tárolására és szállítására alkalmas közeg. Ez az esetek többségében az elektromosság. (Kép: Depositphotos/elenathewise)

Abiotikus kimerülés

A kutatócsoport vizsgálatai már csak a megújuló for­rásokból nyert energia kezelésére irányulnak?

– Alapvetően igen, bár ez alól van egy kivétel: a biomassza, mint megújuló energia- és anyagforrás felhaszná­lási lehetőségeit is kutatjuk. A biomasszát az esetek több­ségében nem alakítják át villamos energiává, hanem a vegyiparban hasznosítják, magasabb hozzáadott ér­té­kű vegyipari termékeket létrehozva. A megújuló energiaforrásokból nyert elektromosságot nevezzük zöld villamos energiának, aminek az eredményes tárolásához át kell alakítanunk, például különféle kémiai formákká. Minthogy az intézetünk alapvetően anyagtudományi kutatások­kal foglalkozik, természetes módon ezek a lépések ké­pezik az érdeklődésünk fókuszát. Ha hatékonyabbá tud­juk tenni az elektromos energia tárolása és szállítása érdeké­ben végzett kémiai átalakításokat, azzal nagyban hozzá­járulhatunk a megújuló energiarendszer kiegyensúlyozásához. Hiszen ezeknek a fejlesztéseknek az egyik legnagyobb kihívása, hogy összehangoljuk az eltérő helyszíneken és eltérő időpontokban jelentkező igénye­ket a termelés idejével és helyszínével.

Hosszú ideje hangoztatják a szakértők, hogy a megújuló energiaforrások kiaknázásának legnagyobb akadálya, hogy nehézkes a villamos energia tárolása. Ön szerint az utóbbi évek akkumulátorfejlesztési lépései változást hoztak ezekben a trendekben?

– Továbbra is sok a dilemma az akkumulátorok megítélése körül. Látnunk kell, hogy az akkumulátorok gyártása során a Föld nyersanyagait és erőforrásait aknázzuk ki, egyelőre egyáltalán nem megújuló módon. Bármilyen redox (a redukció: elektronfelvétel és az oxidáció: elektronleadás szavak rövidítése – a szerk.) folyamat révén is tároljuk a villamos energiát, ehhez a Föld ásványkincseiből kell kinyernünk az alapanyagokat. Ezek közül a legelterjedtebb a lítium, de ez a fém csak az elektród egyik oldalát adja, a másik részéhez általában átmeneti fémekre is szükség van, amelyeket ugyancsak a felszín alatti érctelepekből kell kibányásznunk. Ezek a nyersanyagok nem kapcsolódnak az élő szervezetek tevékenységéhez, ezért abiotikus tényezőknek nevezzük őket. Amikor túlzott mértékben használjuk ezeket az erőforrásokat és ásványkincseket, azzal az abiotikus kimerülést kockáztatjuk. A fenntartható akkumulátoripar kialakításához meg kell oldani a komponensek hulladék nélküli visszanyerését, a teljes körforgást.

Bármilyen redox folyamat révén is tároljuk a villamos energiát, ehhez a Föld ásványkincseiből kell kinyernünk az alapanyagokat. A fenntartható akkumulátoripar kialakításához meg kell oldani a komponensek hulladék nélküli visszanyerését, a teljes körforgást. (Kép: Depositphotos/malpetr)

Az akkumulátoroknak lehet szerepük a megújuló for­­rásokból táplálkozó villamosenergia-ellátás rend­szerléptékű stabilitásának biztosításában?

– Ha jól tudom, Magyarországon 1 gigawattórányi ak­ku­mulátoros energiatárolási kapacitást terveznek ki­épí­teni. Ez nagyjából egy-két órás, legfeljebb félnapos energia­szükségletet fedezhet. Ehhez képest az ország földgáz­tá­ro­ló kapacitása eléri a 34 terawattórát (vagyis a 34 000 giga­wattórát). Bár ez a kapacitás ritkán van teljesen feltöltve, azt látnunk kell, hogy a két érték között több mint három nagyságrend a különbség. A földgáztároló képességünk olyan stabil, megnyugtató hátteret biztosít, ami elengedhetetlen az ország energiabiztonsága szempontjából. Ehhez képest az akkumulátoros energiatárolás – legalábbis az elektromos rendszer stabilitása szempontjából – el­hanyagolható jelentőségű, és a szerepét tovább csökkenti az alapanyagainak abiotikus kimerülése, illetve a kapaci­tásának időbeli korlátozottsága is. Eközben természete­sen az akkumulátoroknak központi szerepük van az elektromos hajtásrendszerű járművek energiaellátásában.

Nagyobb energiasűrűség

Tehát a földgázalapú energiaellátást nem látja ki­küszöbölhetőnek?

– Nyilvánvaló, hogy a jövőben sem szabad egyetlen energiahordozóra támaszkodnunk, a különböző energiatáro­lási és -szállítási megoldásoknak egymásra kell épülniük. Meg fog férni egymás mellett az akkumulátor, a gázturbina, a tüzelőanyag-cella és más megoldások. Ezek nem egymás riválisai, hanem kiegészítik egymást. Az akkumulátoros tárolásnak is vannak előnyei, például a jó ciklushatásfok, vagyis a tárolás során végzett oda-vissza alakítás hatásfoka rendkívül magas, és a rendelkezésre állás is gyorsan biztosítható a segítségével. Ám ezt mindenképpen ki kell egészítenünk az energiatárolás olyan formáival, amelyek hosszú távon is rendelkezésre állnak, és stabil bázisellá­tást tesznek lehetővé. De sok más energiahordozót is használhatunk az energia tárolására, és ezek visszaalakítása elektromos energiává is többféle technológiával történhet. Ezek egyikét jelentik a tüzelőanyag-cellák, amelyek fejlesztésében számos megoldandó anyagtudományi kérdés merül fel, ezek tökéletesen az intézetünk profil­jába vágnak, ezért igen intenzíven kutatjuk őket. Emel­lett a tüzelőanyag-cellák hatékonyságukban is kiemelkednek az alternatív energiaátalakító technológiák közül, hiszen a bennük tárolt energia 60 százalékát elektromos árammá képesek alakítani. Bármilyen más gázt haszno­sító energiaátalakítás (például a gázturbinák vagy a belső égésű motorral működő generátorok hatékonysága) jelentősen elmarad ettől a hatásfoktól.

A jövőben sem szabad egyetlen energiahordozóra támaszkodnunk, a különböző energiatárolási és -szállítási megoldásoknak egymásra kell épülniük.

A kutatócsoport kutatásai nemcsak a szigorú értelemben vett megújuló energiaforrásokkal kapcsolatosak, foglalkoznak például hulladékhasznosítással is. Ez a téma hogyan illeszkedik a profiljukba?

– A mi megközelítésünk szerint egyértelműen megújuló energiaforrásnak tekintendők a hulladékok és a biomassza, amelyekből villamos és hőenergiát is nyerhetünk. Ugyanakkor a jelenlegi európai uniós szabályozás a hulladék- és biomassza-alapú energiatermelést nem sorolja a megújulók közé. Ez azonban csak definíciós kérdés, a lényeget nem érinti. Az viszont egyértelmű, hogy a hulladék energetikai hasznosítása számos szempontból is előnyös, hiszen miközben feldolgozzuk és semlegesítjük a keletkező hulladékot, még energiát is termelünk a segítségével, amihez így nem kell más, nem megújuló forrásból nyersanyagot bevonnunk. Az ezzel foglalkozó munkatársaink azt vizsgálják, hogy miképpen lehet az ipari, háztartási és például mezőgazdasági hulladékból minél nagyobb energiasűrűségű hasznos anyagot előállítani. Miként érezhető, természetesen ezekben a kutatásokban is hangsúlyosan megjelenik az anyagtudomány.

Egyértelműen megújuló energiaforrásnak tekintendők a hulladékok és a biomassza, amelyekből villamos és hőenergiát is nyerhetünk.

E hasznosítás során a hulladék elégetése történik?

– Nem egészen: mi a hulladék és a biomassza pirolízis útján történő energetikai hasznosítását kutatjuk. A pirolízis alapvetően az elérhető oxigén mennyiségében különbözik az égetéstől. A pirolízis során úgy hevítjük az anyagot, hogy előtte megvontuk tőle az oxigént, így teljesen vagy részlegesen oxigénhiányos környezet jön létre. E folyamat során – amelyet magyarul pörkölésnek is szoktak nevezni – nem égés, hanem szabályozott bom­lás játszódik le az anyagban. Eközben az a célunk, hogy a magas hőmérséklet hatására magasabb fajlagos energiatartalmú szilárd-, folyadék- vagy gázfázisú anyagot állítsunk elő belőle, amely könnyebben és nagyobb hatékonysággal tárolható és szállítható, mint az eredeti hulladék vagy biomassza.

A hulladékok nagyon sokfélék, az összetételük szinte sohasem tökéletesen azonos. Miként lehet elérni, hogy a pirolízis során előállított új anyag konzisztens, vagyis állandó tulajdonságú legyen?

– Ennek a problémának a megoldása a pirolízis, illetve tágabb értelemben véve a hulladékhasznosítás „Szent Grálja”. Aki meg tudná oldani, hogy viszonylag stabil összetételű hulladék kerüljön be a hasznosítófolyamatba, és a pirolízis végén azonos összetételű végtermék készüljön, az hatalmasat lépne e technológia széles körű gyakorlati hasznosítása felé. Ettől még messze vagyunk, a mi munkatársaink főként alapkutatási jellegű vizsgálatokat folytatnak a pirolízissel kapcsolatban. 

Platformvegyületek

Szinte nincs olyan vegyipari művelet, amely ne katalizátorokon alapulna. Így van ez a megújuló energiaforrások hasznosításában, illetve a belőlük termelt energia átalakítása során is?

– A katalizátorok természetesen az általunk kutatott átalakításokban is központi szerepet játszanak. A munkatársaink elsődlegesen a heterogén katalízissel foglal­koznak. Itt a heterogenitás a fázisok különbözőségére utal. A leggyakoribb esetben a szilárd fázisú katalizátoron folyadék- vagy gázfázisú szubsztrátok áramolnak keresz­tül, és keverednek vele a katalizátor működési hő­mérsékletén. A katalizátor – az aktiválási energia csökkentése révén – biztosítja azt a környezetet, amelyben megvalósulhatnak a magasabb hozzáadott értékű anyaghoz ve­ze­tő (valorizációs) kémiai reakciók. A biomassza hasz­nosítása szinte mindig heterogén katalízis révén történik. E folyamatok révén olyan biomassza-alapú plat­formvegyü­letek jönnek létre, amelyekből aztán a leg­különfé­lébb vegyipari alapanyag előállítható. Ma már legalább tucatnyi ilyen platformvegyületet ismerünk, a használatukkal gyakorlatilag teljesen kiválthatók a vegyipar (például a műanyag- és az üzemanyaggyártás) fos­szilis eredetű alapanyagai. Platformvegyületnek ne­vezzük általánosságban azokat az anyagokat, amelyekből kiindulva számos különböző vegyipari alapanyag előállítható, vagyis a tel­jes szektort rájuk alapozhatjuk – innen a platform elnevezés. Ha sikerül előállítanunk a platformvegyületek tel­jes spektrumát, akkor gyakorlati­lag minden olyan anya­got szintetizálhatunk (legyen szó textil-, gyógyszer- vagy műanyagipari anyagokról), amelyek gyártásához ma még kőolajszármazékokat használnak. Ebből is látszik, hogy a heterogén katalitikus eljárások jelentősége szinte felbecsülhetetlen.

Tucatnyi platformvegyületet ismerünk, a használatukkal gyakorlatilag teljesen kiválthatók a vegyipar (például a műanyag- és az üzemanyaggyártás) fosszilis eredetű alapanyagai.

Ön mit tekint biomasszának? Vannak, akik a fát is biomasszaként kezelik, mások szerint a fák kivágása és elégetése sok szempontból fenntarthatatlan, egyebek között az égetés szén-dioxid-termelése miatt.

– Elsősorban a biomassza-hulladék felhasználására kell törekednünk. Nem előnyös, ha a termőföldeket arra használjuk, hogy rajtuk energetikai hasznosításra váró növényeket termesszünk, hiszen ezzel nemcsak az élelmiszer-ellátás lehetőségeit szűkítjük, de a termőföld megújulását sem segítjük elő. Az energetikai hasznosítás csak azon hulladékok esetében előnyös, amelyeket egyébként sem forgatnának vissza a talajba. Ugyanakkor pél­dául a biomassza-hulladékból termelt biogáz előállítása után is marad jelentős mennyiségű kiérlelt, de még komposztálható anyag, amelyet érdemes visszajuttatni a talajba. Az ezt célzó technológiák még csak kutatási fázisban vannak, az azonban általánosságban elmond­ható, hogy ezt a műveletet is fenntartható módon szabad csak kivite­lezni, a természet károsítása nélkül. Az égetést minden esetben érdemes kerülni, hiszen a hulladék, visszajutva a talajba, mindig jobb szolgálatot tehet nekünk és a környezetnek egyaránt.

A biomassza-hulladék felhasználására kell törekednünk, mert az energetikai hasznosítás csak azon hulladékok esetében előnyös, amelyeket egyébként sem forgatnának vissza a talajba. (Kép: Depositphotos/vladvitek)

Egy-két évtizeddel ezelőtt nagy reményeket fűztek a bioüzemanyagokhoz, de mára mintha csökkent vol­na a velük kapcsolatos lelkesedés, ugyanis az elége­tésük szén-dioxidot termel, a trópusokon pedig ha­talmas területeken irtották ki az esőerdőt, hogy olaj­pálma-ültetvényeket telepítsenek a helyükre. Ön sze­rint van még perspektíva a bioüzemanyagokban?

– Senki sem tudja megmondani, hogy húsz-harminc év múlva lesznek-e még bioüzemanyagok, de az mára nyilvánvalóvá vált, hogy nem ezek fogják teljes egészében kiváltani a fosszilis tüzelőanyagokat. Ugyanakkor nem engedhetjük meg magunknak, hogy elvessük bármelyik alternatív energiaforrást, még ha az talán csak néhány százalékkal járulhat hozzá a megújított energiarendszerünkhöz. A jövőben elengedhetetlen lesz az energiaszektor különböző komponenseinek összekapcsolódása, és ebben a biomassza-eredetű nyersanyagoknak is meglesz a helyük. Talán nem az energetikai szektorban, hiszen sokan elfelejtik, hogy a kőolajszármazékokat nemcsak energiatermelésre használjuk, de például a gyógyszergyártásban is. Márpedig nagyon erősek a felhasználói igények abba az irányba, hogy a gyógyszeriparban váltsuk ki a fosszilis szénhidrogéneket, és e célra az átalakított biomassza-eredetű anyagoknak jelentős szerepük lehet.

Hogyan képzeli el a megújuló energiaforrások jövőjét? Néhány évtizeden belül képesek lesznek teljes mértékben kiváltani a fosszilis eredetű energiát?

– Az biztos, hogy a jövőbeli fejlődés szempontjából kulcsfontosságú lesz a megtermelt energia tárolása és szállítása. Csak így lesz ugyanis biztosítható az, hogy a már jelenleg is hasznosított megújuló energiaforrások ott és akkor álljanak rendelkezésre, amikor szükség van rájuk, még egy szélcsendes éjszakán is.

A szélerőművek és a napelemek gyártása egyaránt sok fosszilis energiaforrást és bányászott nyersanyagot igényel – ahogy az életciklusuk végén is sok fosszilis energia felhasználásával dolgozzák fel őket. Ezért a jövőben racionalizálni kell ezeknek az erőműveknek a telepítését. (Kép: Depositphotos/bilanol.i.ua)

Az aktuális trendeket figyelembe véve nem gondolom, hogy tarthatók a jelenlegi célkitűzések, amelyek az évszázad közepére teljes zöld átállást irányoznak elő. Emiatt sajnos a Föld átlaghőmérsékletét szinten tartó szcenárió sem valósulhat meg. Nem vagyok túl optimista, de reménykedek benne, hogy minél nagyobb arányban megtörténik a zöld átállás. Abban viszont biztos vagyok, hogy az általunk is fejlesz­tett energiatárolási és szállítási technológiák nagymértékben hozzá fognak járulni a zöldenergia el­ter­jedé­sé­hez. Emellett azonban megoldást kell találnunk a legfontosabb megújuló energiákat hasznosító beren­dezések előállítása és üzemeltetése során felmerülő jelentős környezeti terhelésre is. Ugyanis a szélerőművek és a napelemek gyártása egyaránt sok fosszilis energia­forrást és bányászott nyersanyagot igényel – ahogy az életciklusuk végén is sok fosszilis energia felhasználá­sá­val dolgozzák fel őket. Ezt a terhelést mérséklendő, a jövőben racionalizálni kell ezeknek az erőműveknek a telepítését. Ponto­san meg kell tervezni, hogy hova és mennyi berendezést érdemes telepíteni, hogy az emiatt jelentkező környezeti terhelés és a reálisan megtermel­hető energia egyensúlya előnyös maradjon.•

Címlapkép: Depositphotos/Frank-Peters