Új Szó - Vasárnapi kiadás, 1987. január-június (20. évfolyam, 1-25. szám)
1987-02-27 / 8. szám
f TUDOMÁNYI TECHNIKA Cikksorozatunk első részében az energiaforrásokkal foglalkoztunk. Most az energia tárolási és szállítási lehetőségeit tárgyaljuk. ENERGIATÁROLÓK Az energia tárolására azért van szükség, mert az energia előállításának ideje legtöbbször nem esik egybe a fogyasztás idejével. Megkülönböztetünk mechanikai, kémiai, villamos és elektromágneses, valamint hőakkumulátorokat. A mechanikai energia helyzeti vagy mozgási energia formájában tárolható. A helyzeti energia kapcsolatos lehet a Föld gravitációs terében a tömeg elmozdításával, gáz vagy szilárd test rugalmas alakváltozásával. A mozgási energia leggyakrabban lendkerék forgásának energiájaként keletkezik. Ismeretes, hogy a villamosenergia-igény a nap folyamán és hétvégeken nem egyenletes. Legnagyobb a fogyasztás a reggeli és esti órákban. Éjszaka és a hétvégeken a fogyasztás jelentősen lecsökken. Azok az erőmüvek, amelyek csak csúcsidőben üzemelnek, ilyenkor nincsenek kihasználva. Ezért alkalmazzák azt az elvet, hogy az ilyen erőmű a hálózat alacsony terhelése idején tárolja a villamosenergia-fölösleget, hogy csúcsterhelés idején leadhassa azt. A szivattyús-tárolós erőmű nemcsak csúcsidőben üzemel. Az alacsony terhelés időszakában átadja a villamos energia egy részét a szivattyúnak, amely vizet szivattyúz a lejjebb fekvő víztárolóból a felsőbe. Csúcsidőben a víz a felső tárolóból az alsóba folyik, meghajtva a gépet, amely most vízturbinaként üzemel. Az ehhez kapcsolt generátor villamos energiát termel a csúcsfogyasztók részére. Az ilyen vízerőműveket két változatban építik. Az első változat, amikor földalatti tárolót építenek, és így biztosítják a tárolók közötti szintkülönbséget. Másik, gazdaságosabb megoldás, ha a telepítési hely domborzati viszonyai biztosítják a tároló medencék közötti szintkülönbséget. A vízturbinák hatásfoka ma már eléri a 90 %-ot. A helyzeti energia kihasználásán alapuló energiatárolók lehetnek még a fémrúgók és sodrott kábelek. - A bennük tárolható fajlagos energia azonban viszonylag csekély és . energetikai jelentősége nincsen. A szállítóberendezések számára érdekesnek mutatkozik a lendkerekek mozgási energiájának hasznosításán alapuló energiatározó. A forgó test mozgási energiája arányos a fordulatszámának négyzetével, ezért kívánatos a fordulatszám növelése. Készültek tervek és gyártottak kísérleti darabokat olyan városi autóbuszokból, amelyek lendkerékben tárolt energiával működnek. Az ilyen autóbusz lendkerekét a végállomáson stabil villamos motorral a kívánt fordulatszámig forgatják. Utána az autóbusz mozgatását a lendkerék végzi. Az elvégzett kísérletek azt igazolják, hogy a városi tömegközlekedésben a lendkerekes energiatárolásnak lehet jövője. A kémiai energiatárolók kémiai reakciók lejátszódása által tárolják vagy adják le az energiát. A leggyakoribb energiafejlesztő reakció az oxidáció. A természetes tüzelőanyagok (szén, földgáz, kőolaj stb.) szintén energiát tárolnak, melyet a levegővel történő oxidáció útján hasznosítunk. Az energiatárolás kémiai úton olyan energiahordozók segítségével történhet, mint a hidrogén, ammónia vagy metanol. Ezeknél azonban figyelembe kell venni az energiaátalakítási folyamatnak mind a hatásfokát, mind a tőkeigényességét, vagyis az adott fajtájú energiahordozóból egységnyi energia termelésére számított ráfordítást. A kémiai energiatárolók különleges fajtái az elektrokémiai akkumulátorok. Ezekben a reakció eredményeként közvetlenül villamos energia keletkezik. A reakció megindításához elég a külső villamos áramkör zárása. Az elektrokémiai akkumulátorok két fajtája ismeretes: megfor- díthatók és nem megfordíthatok. Az első esetben, ha az akkumulátorba villamos energiát vezetnek kívülről, a kémiai reakció ellenkező irányú, ennek eredményeként az akkumulátor feltöltődik. A megfordítható elektrokémiai akkumulátorok ma elterjedtek a belsőégésű motoroknál, ahol a motorok indítására használják őket. Amikor az akkumulátor leadja az energiát a reakció benne balról jobbra játszódik le, feltöltődéskor fordított irányban. Ezek az akkumulátorok elég olcsók, élettartamuk 4-5 év, de kicsi a fajlagos energiájuk - kb. 100 kJ/kg. Ez az akadálya annak, hogy szállítóberendezések energiaforrásaként nem alkalmazhatók. A nem megfordítható elektrokémia akkumulátorok csak egyszeri felhasználásra valók. Kis villamos- energia-forrásként használják rádió- készülékekben, hordozható világitó készülékekben stb. Mivel a villamos energia az egyik legelterjedtebb energiafajta, előnyös lenne többszörös átalakítás nélküli tárolása. Ez elvileg lehetséges villamos és elektromágneses tárolókban. A legismertebb villamosener- gia-tároló a kondenzátor. Villamos energiát tárol az elektromágneses energiatároló is. Az energia a tároló tekercsein átfolyó villamos áram hatására létrejövő elektromágneses tér energiájaként raktározódik. Az energiát a tárolóból úgy szabadítják fel, hogy a tekercset terhelő ellenállásra kapcsolják át. Ekkor a tekercsben az áram csökken és csökken a mágneses tér is. A mágneses tér változása a tekercs meneteiben feszültséget indukál, ami fenntartja a tekercsben az áramot. így meghatározott idő alatt a mágneses tér energiája átkerül a külső hálózatba. Az energiaátadás szokásos ideje csak néhány ezred másodperc. A hóakkumulátorok az energiát a höbevitel eredményeként tárolják. Két fajtájuk ismeretes: változó hőmérsékletű és állandó hőmérsékletű hőtárolók. Az első esetben munkaközegként leggyakrabban vizet alkalmaznak és a hőszigetelés tökéletesítésével igyekeznek elérni a lehető legkisebb hőveszteséget. Az állandó hőmérsékletű hőtárolók azon az elven működnek, hogy töltéskor a munkaközeg fázisváltozáson megy át. Leggyakrabban olvadás következik be. Ha az akkumulátorból elvonják a hót, a munkaközeg ismét szilárd halmazállapotba kerül. A hőtárolók viszonlyag kis fajlagos energiájuk miatt főként helyhez kötött berendezésekben alkalmazhatók. A helyhez nem kötött szállító- berendezésekhez a hőtárolók túl nehezek. Általában valamely anyagban tárolt hő szállítása csak csővezetékekben célszerű, és csak kisebb távolságokra, pl. 160-170 °C hőmérsékletű forró vízzé a hőerőműből néhány km-re lévő lakótelepre. Nagyobb távolságra ilyen kis sűrűségű energiát szállítani nem gazdaságos. Ezért pl. az atomfútőerőmúvek építése - ahonnan a hőt 20-30 km távolságra is szállítják majd - a víz hőmérsékletének növelését és a hőellátási rendszerek némi változtatását teszi szükségessé. ENERGIASZÁLLÍTÁS A gyakorlati életben leggyakrabban az alábbi energiaszállítási fajták ismeretesek: szerves természetes tüzelőanyagok szállítása, hőszállítás a környezeti hőmérsékletnél nagyobb hőmérsékletű anyagokban, villamos energia szállítása távvezetékekben. Lehetséges, bár ma még nem elterjedt módszer az energiaszállításra a nagy teljesítményű, magas ; frekvenciájú elektromágneses sugárzás, mely a fényhez hasonlóan terjed a térben. Az energiaszállítás legolcsóbb fajtája a folyékony tüzelőanyagok (kőolaj) szállítása csővezetékekben. Majdnem ugyanolyan olcsó az olaj szállítása tankhajókon. Éppen az olcsó szállítási lehetőségek miatt közel azonos az olaj ára az egész világon. Drágább a földgáz csővezetékekben történő szállítása a gáz- kompresszor-állomások nagyobb energiaigénye miatt. A földgáz szállításakor az optimális nyomás 107 Pa. Súrlódás és más ellenállások miatt a gáz nyomása a vezetékekben lecsökken. Ezért kb. 100-150 km-enként kompresszorállomásokat létesítenek, hogy azok a gáz nyomását a kezdeti értékre emeljék. A szén szállításával kapcsolatban tudnunk kell, hogy a kis fútöértékú barnaszén szállítása sokkal kevésbé kifizetődő, mint a jó minőségű fekete szeneké. Ezért a barnaszenet leggyakrabban a kitermelés helyén hasznosítják vagy dolgozzák fék olyan energiahordozóvá, melyet nagy távolságra érdemes szállítani. A szénből, mint alapanyagból a legkülönbözőbb termékek gyárthatók. Energetikai szempontból a szén cseppfolyósításának és gázosításának van jelentősége. Ezeket a technológiákat a második világháborúig alkalmazták a világon. Az olcsó kőolaj és földgáz azonban kiszorította őket a piacról. Ennek következtében a szénátalakítási technológiák megmaradtak a kezdeti színvonalon. (Folytatjuk) KOVÁCS ZOLTÁN Az ember és az energia 3. Kőolajból fémet új szú 1987.11.27. Azerbajdzsánban még a múlt század végén vasat, kalciumot, nátriumot, alumíniumot, rezet és ezüstöt találtak a kitermelt kőolaj hamujában. Igaz, ezt akkor a természet egyfajta szeszélyének tartották: a kőolajjal sok egyéb komponens is keveredett. Századunk elején, a húszas években azonban már töprengeni kezdtek a tudósok: hogyan lehetne ezeket az „adalékokat“ hasznosítani. Megkezdődtek az első kutatások, bár a szakemberek többsége nem bízott eredményességükben. Úgy vélték, kár a fáradságért, hiszen még sok kimenteden, gazdag érclelőhely létezik. Ismeretes, hogy napjainkban rohamosan csökkennek a színesfémek természetes készletei. Kiszámították például, hogy 2000-ben az USA-nak hatalmas összeget, 1,6 milliárd dollárt kell költenie csak a vanádium behozatalára. Ugyanakkor, ha ezt a fémet kőolajból nyerjük, nemcsak az ország belső igényeit, de a világ össz-szükségletét ki lehet elégíteni belőle. Ám felmerül a jogos kérdés: gazdasági szempontból mennyire jövedelmezők és hatékonyak ezek a technológiák? Nézzük a számokat. Minden tonna kőolajban, amelyet Azerbajdzsánban, a Bu- zacsi-félszigeten bányásznak, 150-280 gramm vanádium található. A Szovjetunióban az évente felszínre hozott kőolaj- mennyiségben pedig vanádiumból többször annyi van, mint amennyit az ország színesfém-üzemeiben előállítanak. Emellett hangsúlyoznunk kell, hogy a legmagasabb fémtartalma az úgynevezett nehéz- és túlnehéz-kőolajnak van, amelyből hatalmas készletek találhatók bolygónkon. Az atabászki (Kanada) lelőhelyen a kőolaj minden tonnájában 250 gramm vanádium és 100 gramm nikkel található; a bokái (Venezuela) olajmezőkében pedig ugyanezekből 1200, illetve 150 gramm. Több szovjet lelőhelyen a nehézkőolajban a vanádiumon kívül nikkelt és ezüstöt is találtak. A nyugat-szibériai Szamotlorban pedig a kőolajjal együtt aranyat, krómot, mangánt és vasat is felszínre hoznak. Az első gyakorlati lépések. Korai lenne még „kőolajfémes“ (nevezzük így) üzemek és kombinátok alapításáról beszélni. A szakemberek véleménye szerint a közönséges nyers kőolaj a következő évszázad nyersanyaga lesz. Ma még reálisabb abból a salakból nyerni a fémeket, amely a hőerőművekben a pakura elégetésekor keletkezik. Hiszen ebben a „hasznavehetetlen“ salakban a nátrium, vanádium és vastartalom eléri a 9-10, a nikkelé a 6, a magnéziumé az 1,9, a kalciumé az 1,2 százalékot. Egyes országokban, így a Szovjetunióban is elméletileg már kidolgozták a fémek salakból történő előállításának módjait, de ipari méretekben még nem alkalmazzák. A kőolaj elégetésekor tudvalevőleg nem sok salak keletkezik - a legértékesebb összetevők oroszlánrésze elpárolog a gázok füstjével. De mégis. Ha ezekből a gázokból sikerülne akárcsak tizenöt százalék fémet nyerni, már ez is nagy eredmény lenne. Most nézzük meg azt, jövedelmező lehetne-e fémeket közvetlenül kőolajból kivonni. Vegyük példának ismét a vaná- diumot. Azokat a lelőhelyeket érdemes és gazdaságos kitermelni, ahol a kőzet legalább egytized százalékban tartalmazza azt a fémet. Ahogy a fent említett számok mutatják, a vanádium csaknem ilyen arányban található a kőolajban. Remélhető tehát, hogy ha sikerül megoldani a technológiai problémákat, az efféle előállítási mód jövedelmezővé válik. Mellesleg a kóolajkóhászattal az ércfeldolgozás sok drága és munkaigényes folyamata szükségtelenné válik. Például az érclelőhelyek feltárása, a robbantás, a darabolás és az érc dúsítása is. A vanádiumot felfogó berendezések már túljutottak a kísérleti szakaszon és sikeresen működnek több kóolajfeldolgozó üzemben és erőműben a Szovjetunióban éppúgy, mint Kanadában, Svédországban és az USA-ban. A fémeknek közvetlenül nyersolajból való előállításában olyan változás történt, ami újabb fordulópontot jelentett. Arról van szó, hogy a vanádium (amely nélkülözhetetlen összetevője a nyersvas és az acél tulajdonságait javító ötvözetnek), a kohászok legrosszindulatúbb ellensége. Katalizátorokat von ki a rendszerből, csökkenti a motor és a kazán berendezéseinek élettartamát. A vanádiumot tartalmazó tüzelőanyag elégetésekor aktív korróziós vegyületek jönnek létre, nem is szólva arról, hogy a vanádiumot tartalmazó melléktermékek káros hatással vannak az állat- és növényvilágra. Ha mindezeket a tényezőket egybevetjük, akkor a tegnap még előnytelennek tűnő technológia értelmet kap és gazdasági hasznot hajt. A kőolaj komplex felhasználása. Az ipari meghonosításhoz ma legközelebb a hidrokrakkolás áll; a kőolaj katalizátorokon történő lepárlásának hidrotisztítása, feldolgozása és az összes értékes fém kivonása. Előreláthatólag ezt a technológiát vezetik be Kazahsztánban, azokban az üzemekben, ahol a Buzacsi-félsziget kőolaját dolgozzák fel. A technológia gyakorlatilag veszteség nélküli lesz. Buzacsi az ország vanádium-igényének jelentős részét ki tudja majd elégíteni. Jellemző, hogy a kőolajtermékek előállításának növekedésével nem növelni, hanem csökkenteni tervezik a kiinduló nyersanyag bányászatát, hiszen idővel minden tonna kőolajat egyre racionálisabban dolgoznak fel. A Szovjetunióban számos tudományos kutatóintézet tanulmányozza a kőolajnak és párlatainak elemi összetételét. Ez úgynevezett neutron-aktivációs analízissel történik. A szovjet tudósok új módszerével már sok pontos adatot gyűjtöttek össze az ország lelőhelyein „fémtartalmáról“. Emellett fontos másodlagos eredmények is születtek. Például sikerült megállapítani az érclelőhelyek határait és pontosítani a kőolaj mozgásának útját. Ami a távolabbi perspektívákat illeti, kétségtelen, hogy megtanulunk majd kőolajból réniumot, skandiumot, berilliumot, ezüstöt, galliumot, germániumot, higanyt és más értékes fémet előállítani. A kőolaj tartalmaz még nafténsavakat, szulfátokat, tioféneket, egyszerű és összetett étereket. A legtöbb technológia célja ezeknek a komponenseknek a szétválasztása. Magas kémiai aktivitásuk miatt első számú ellenségei az olajszakembereknek és olajbányászoknak, mert szétroncsolják a csővezetéket, károsítják az agregátorokat. Ugyanakkor ezek a vegyületek pótolhatatlanok. Fontos részei az ércekből az arany, az ezüst, a palladium, a rénium és Skandium kémiai úton való elvonásának, vagyis azoknak a fémeknek az előállításában, amelyek nélkülözhetetlenek a tudományos-technikai fejlődés avantgarde irányzataiban. NAGYÍR NAGYIROV akadémikus, a Kazah Tudományos Akadémia tagja • Téli kép - köolajfinom ítóval (Gyökeres György felvétele)
