Miért kulcskérdés az energiaátmenet?

Mi történik, ha egy ország egyszerre akar kevesebb fosszilis energiát használni, több áramot termelni, elektromos autókat tölteni, fűteni, ipart működtetni, és közben az energiaellátásnak megbízhatónak és megfizethetőnek is kell maradnia? Az energiaátmenet éppen ezt a látszólag ellentmondásos feladatot próbálja megoldani. Nem egyetlen új technológiáról vagy arról szól, hogy „lecseréljük a szenet napelemre”.

Egy egész energiarendszer átalakításáról van szó, amelyben a fizika megmutatja, mi lehetséges, a kémia új anyagokat és energiatárolási lehetőségeket ad, a mérnökök pedig megpróbálják mindezt működő, biztonságos és gazdaságos rendszerré összeállítani.

Miért kell egyáltalán átállítani az energiarendszert?

A modern társadalom szinte minden működése energiára épül. Villamos energiára van szükség a telefonokhoz, szerverekhez és kórházakhoz, üzemanyagra a közlekedéshez, hőre az épületekben és hatalmas energiamennyiségre az ipari folyamatokhoz. Az energiát azonban ma még jelentős részben fosszilis tüzelőanyagokból – szénből, kőolajból és földgázból – állítjuk elő.

Az International Energy Agency adatai szerint 2024-ben a világ energiával kapcsolatos szén-dioxid-kibocsátása újabb rekordot ért el, meghaladva a 37,8 milliárd tonnát. Közben a globális villamosenergia-kereslet is gyorsan növekszik: az IEA szerint 2024-ben mintegy 4 százalékkal nőtt, és a következő években is hasonlóan erős bővülés várható.

Ez az energiaátmenet egyik legnagyobb kihívása: nem egyszerűen tisztább energiát kell előállítani, hanem közben egyre több energiára is szükségünk van. A cél tehát egy olyan rendszer kialakítása, amely képes kiszolgálni a növekvő energiaigényt, miközben jelentősen csökkenti a kibocsátást.

A fizika megmutatja, honnan jöhet az energia

Az energiaátmenet alapját a fizika adja. A napfényből például fotovoltaikus cellák segítségével lehet villamos energiát előállítani. A fotonok energiát adnak át az anyag elektronjainak, amelyek elektromos áramot hoznak létre. A szélerőművekben a mozgó levegő energiája alakul át forgási energiává, majd generátor segítségével villamos energiává.

A fizika azonban arra is figyelmeztet, hogy az energiatermelésnek vannak korlátai. A nap nem mindig süt, a szél nem mindig fúj, az energiafogyasztás pedig nem feltétlenül akkor a legmagasabb, amikor a megújuló források a legtöbbet termelik. Ezért az energiaátmenet egyik kulcsszava az energiarendszer rugalmassága.

A Nemzetközi Energiaügynökség szerint a megújuló energiaforrások gyors terjedésével egyre nagyobb jelentősége lesz az energiatárolásnak, a hálózatfejlesztésnek, a kereslet szabályozásának és más rugalmassági megoldásoknak.

Ezért nem elég napelemeket telepíteni. A megtermelt áramot el is kell juttatni oda, ahol szükség van rá, és valamilyen módon kezelni kell azt az időszakot, amikor a termelés és a fogyasztás nincs egyensúlyban.

A kémia egyik nagy kérdése: hogyan tároljuk az energiát?

Az egyik legizgalmasabb probléma egyszerűen hangzik: mihez kezdünk az energiával, amikor éppen nincs rá szükség?

Az akkumulátorok erre az egyik fontos választ jelentik. Működésük során kémiai reakciók segítségével tároljuk, majd villamos energiaként szabadítjuk fel az energiát. A lítiumion-akkumulátorok mára meghatározóvá váltak az elektromos járművekben és az elektronikai eszközökben, de az energiarendszerekben történő tárolásnak más technológiák is részét képezhetik.

Az akkumulátoroknál ugyanakkor komoly kérdés az alapanyagok kitermelése, az ellátási láncok biztonsága, az újrahasznosítás és a megfelelő élettartam. Ezért a kutatók folyamatosan keresik az új anyagokat. A Nemzetközi Energiaügynökség szerint a következő években az akkumulátoros energiatárolás gyors növekedése várható, miközben a technológiai fejlesztés és a kritikus ásványi nyersanyagok ellátása továbbra is fontos kérdés marad.

A kémia azonban nem csak az akkumulátorokról szól. Ide tartozik például a hidrogén előállítása és felhasználása is. Elektrolízissel vízből hidrogént lehet előállítani villamos energia segítségével. Ha ehhez alacsony kibocsátású villamos energiát használunk, a hidrogén olyan energiahordozó lehet, amely bizonyos nehezen villamosítható ágazatokban is szerepet kaphat.

A mérnök feladata: az ötletből működő rendszer

Lehet kiváló napelemünk, nagy kapacitású akkumulátorunk vagy hatékony elektrolizálónk, ha a technológia önmagában nem illeszkedik a rendszerbe. Itt válik különösen fontossá a mérnöki gondolkodás.

Egy villamosmérnöknek például azt kell megoldania, hogyan lehet több és változékonyabb termelési forrást biztonságosan integrálni a villamos hálózatba. Egy gépészmérnök energiahatékony rendszereket és berendezéseket tervezhet. Egy vegyészmérnök új energiatárolási vagy üzemanyag-előállítási technológiák fejlesztésében vehet részt. Egy építőmérnök vagy épületgépész pedig az épületek energiafelhasználását csökkentheti.

A mérnöki feladat ezért gyakran nem egyetlen gép megtervezése, hanem rendszerek összehangolása. Egy jövőbeli energiarendszerben például a napelemek, szélerőművek, akkumulátorok, elektromos autók, hőszivattyúk, hálózatok és ipari fogyasztók egymásra hatnak.

Az energiahatékonyság legalább olyan fontos, mint az új energiaforrás

Az energiaátmenetről gyakran a látványos technológiák jutnak eszünkbe: hatalmas szélturbinák, napelemparkok, elektromos autók vagy futurisztikus hidrogénüzemek. Közben van egy sokkal kevésbé látványos, de rendkívül fontos megoldás: kevesebb energiát használni ugyanannak a feladatnak az elvégzéséhez.

Ha egy épület jobb szigetelést kap, kevesebb energiára van szükség a fűtéshez. Ha egy villanymotor hatékonyabb, ugyanazt a munkát kevesebb villamos energiával végezheti el. Ha egy ipari folyamatot optimalizálnak, csökkenhet az előállított termékhez szükséges energia.

Az IEA szerint az energiahatékonyság javítása kulcsfontosságú az energiaátmenet szempontjából, mert mérsékelheti az energiaigényt, csökkentheti a költségeket és hozzájárulhat az ellátásbiztonsághoz. Egyetemistaként ezért érdemes az energiaátmenetre nem pusztán „energiatermelési problémaként” gondolni. Legalább ennyire fontos kérdés, hogyan tudjuk ugyanazt a társadalmi és gazdasági teljesítményt kevesebb energiával elérni.

Magyarországon is mérnökök és kutatók kellenek hozzá

Az energiaátmenet nem távoli, kizárólag nemzetközi kutatóintézetekben zajló folyamat. Magyarországon is komoly szerepe van a villamosenergia-hálózat fejlesztésének, az energiatárolásnak, az elektromobilitásnak, az energiahatékony épületeknek, az ipari energiahatékonyságnak és az új technológiák kutatásának.

Az Európai Unió energia- és klímapolitikája is egyre nagyobb hangsúlyt helyez a villamosításra, a megújuló energiaforrásokra, az energiahatékonyságra és a hálózatok fejlesztésére. Magyarország számára külön kihívást jelent, hogy a villamosenergia-rendszernek egyszerre kell alkalmazkodnia a növekvő villamosítási igényhez és a változó megújuló termeléshez.

Ez rengetegféle szakember számára jelenthet lehetőséget. Az energiaátmenethez szükség van például:

• villamosmérnökökre, akik a hálózatokkal és villamos rendszerekkel foglalkoznak;
• gépész- és energetikai mérnökökre, akik energiaátalakító rendszereket és hatékony berendezéseket fejlesztenek;
• vegyész- és anyagmérnökökre, akik akkumulátorok, hidrogéntechnológiák és új anyagok fejlesztésében vehetnek részt;
• informatikusokra és adatelemzőkre, akik az energiarendszerek optimalizálásában és intelligens vezérlésében dolgozhatnak;
• kutatókra, akik új technológiákon és anyagokon dolgoznak;
• valamint közgazdászokra, jogászokra és társadalomtudósokra, hiszen egy energiarendszer átalakítása gazdasági és társadalmi döntéseket is igényel.

Az energiaátmenet nem egyetlen technológia győzelme

Az energiaátmenet talán legfontosabb tanulsága, hogy nincs egyetlen varázstechnológia. A napelem önmagában nem oldja meg a hálózati problémákat, az akkumulátor nem helyettesít minden energiatárolási formát, a hidrogén pedig nem minden feladatra gazdaságos megoldás. Az elektromos autó fontos lehet a közlekedés átalakításában, de önmagában nem teszi fenntarthatóvá az egész közlekedési rendszert.

A valódi változáshoz technológiák, infrastruktúrák, tudományterületek és döntések rendszerére van szükség. A fizika megmutatja az energiaátalakítás lehetőségeit és korlátait. A kémia új anyagokat és tárolási módszereket fejleszt. A mérnöki tudomány ezekből működő rendszereket épít. Az informatika képes optimalizálni és vezérelni őket, a gazdaság és a társadalomtudomány pedig segít megérteni, hogyan lehet mindezt valóban működőképesen bevezetni.

Éppen ezért az energiaátmenet nem csupán egy klímapolitikai kérdés, hanem óriási tudományos és mérnöki kihívás is. Azoknak az egyetemistáknak pedig, akik ma fizikát, kémiát, mérnöki tudományokat, informatikát vagy ezekhez kapcsolódó területeket tanulnak, ez azt is jelentheti, hogy a következő évtizedek egyik legfontosabb technológiai átalakításának alakítói lehetnek.

——

A kiemelt kép forrása: 123RF.