Nincs jobb naperőmű a fotoszintézisnél

Miként lehet felhasználni magát a fotoszintézist a tiszta napenergia előállítására? Ez az alternatív energiaforrásokkal kapcsolatos kutatások legnagyobb kérdése, mert a növények hatékonyabb energiagyáraknak bizonyultak a napelemeknél és a tükrös naperőműveknél.

A fosszilis energiahordozók megcsappanása, majd a szén-dioxid kibocsátásának mérséklésére tett erőfeszítések napjainkra felgyorsították az alternatív energiaforrások felkutatásának több évtizedes folyamatát. Igazából két nagy alternatíva-csoport létezik: a nukleáris úton előállított és a napból származó energia. Az atomerőművekkel és a nukleáris hulladék tárolásával szembeni fenntartások miatt napjainkban elsősorban a napenergia alternatív hasznosítása kerül előtérbe. Az alternatív szó éppen a fosszilis tüzelőanyagok kiváltására vonatkozik, hiszen végső soron azok is a napsugárzásból halmozták fel energiájukat.

A napenergia gyakorlatilag kimeríthetetlen

A Napból a Föld felszínére érkező energia több ezerszerese annak, amennyit jelenleg az emberiség felhasznál. Ha ennek csak egy százalékát hasznosítanánk 5 százalékos hatékonysággal, akkor minden emberre annyi energia jutna, mint a fejlett nyugati országokban jelenleg.

Közvetetten a víz- és szélerőművek is a Napból táplálkoznak, azonban a szél- és vízenergia messze nem fedezi a földi szükségletet. A legkézenfekvőbb megoldás a napfény közvetlen munkába fogása már akkor, amikor eléri a felszínt.

A közvetlen hasznosításra két fontosabb technológiát fejlesztettek ki az elmúlt évtizedek során. Az egyik a fotovoltatikus eszközök, azaz a napelemek használata, amelyekkel körülbelül 15 százalékos hatásfok érhető el. Alkalmazása inkább kisebb területekre, épületekre, speciális járművekre, elektronikus berendezésekre korlátozódik. Előnye a közvetlen elektromos áram termelése, ugyanakkor a még mindig magas ár miatt erőművi felhasználása nem túl gazdaságos.

Jóval nagyobb, akár 80 százalék körüli hatásfokot is el lehet érni akkor, ha a napsugárzás hőt termel. Épületeknél, egyéni háztartásoknál egyre jobban elterjedt a napkollektor, amely a melegvíz-ellátást és fűtés-kiegészítést szolgálja. Erőművek esetén hatalmas tükrökkel egy folyadéktartályt melegítenek fel, amely gyakorlatilag egy hőerőművet táplál. Természetesen itt a teljes hatásfok a hőerőmű közbeiktatása miatt lecsökken, így 25-30 százalék körüli eredményt lehet elérni.

A tárolás a gyenge pont

A közvetlenül a napsugárzásból előállított villamos energia hátránya a napjárásból és a felhőzetből adódó egyenetlenség, valamint a tárolás kérdése. Ha a naperőművekből közvetlenül szállítjuk el a villamos energiát, nagy távolságon (leginkább a trópusi, szubtrópusi sivatagokban érdemes az erőművet felállítani) jelentős a vezeték ellenállásából adódó teljesítmény-veszteség, miközben az ingadozás továbbra is fennmarad.

A tárolás problémájára a hidrogéncella tűnhet a jövő megoldásának, de egyelőre ipari méretekben nem megoldott a kérdés. Továbbá azt sem elhanyagolható kiszámítani, vajon mennyi energiát emésztett fel a meglehetősen drága rendszerek felépítése, majd a későbbi karbantartására, és közben - ha ez is szempont - mennyi szén-dioxidot termeltünk, vagyis mekkora lett az egész folyamat karbonlábnyoma? Ezeknek a számításoknak egyébként a napkollektorok és napelemek tekintetében is megvan a légjogosultságuk.

Szinte mindenkinek, aki a fentieken elgondolkozott már, és kereste, hogyan kössük le a napsugarak energiáját, és hogyan tároljuk azt, eszébe jut a természet egyszerű válasza: a fotoszintézis. A fosszilis energiahordozókat is ez hozta létre, amelyekkel környezetvédelmi szempontból az a kifogás, hogy egy hosszabb idő alatt elraktározott szén-dioxid-mennyiséget elégetésük során hirtelen bocsátunk a légkörbe.

A biomassza elégetése nem a legjobb megoldás

Ilyenkor rögtön rátalálunk a megoldásra, nevezetesen arra, hogy egynyári növényekkel vagy energiaerdők háromévenkénti kitermelésével a szén-dioxid légköri cseréjének ciklusát a fosszilis tüzelőanyagokhoz képest meggyorsítjuk. Tehát mondhatjuk azt, hogy csak annyi szén-dioxidot bocsátunk ki a biomassza felhasználásával, amennyit az előző egy-három évben a légkörből kivont, és ezáltal már zölddé is tettük a folyamatot. Bár a fotoszintézis hatásfoka meglehetősen alacsony, nagyjából 1-2 százalékos, a Földre érkező, nagy mennyiségű napenergiát és a növényzet elterjedését figyelembe véve mégis jelentős energiatároláshoz vezet.

Közel két évtizede felgyorsult a világon a biomassza energetikai célú felhasználása. A közvetlen elégetés mellett a hagyományos üzemanyagok kiváltására is egyre nagyobb hangsúlyt fektetnek, és az utóbbi években a támogatási rendszerekben is megjelent a megújuló energiaforrások között.

Ugyanakkor energetikai oldalról sok kérdést vet fel a biomassza hasznosítása, az érvek mellett ellenérvek sora is elhangzik a témában. Az elsődleges dilemma az, hogy milyen az egész folyamat energiamérlege, azaz ténylegesen több energiát nyerünk a biomassza felhasználásával, mint amennyit befektetünk a feldolgozás során. Általában az erőműben való elégetés esetén a válasz egy megnyugtató igen, azonban például a bioüzemanyag előállításánál nagy számban léteznek ellenvélemények a szakmában. Ha teljesen megbizonyosodunk a pozitív energiamérlegről, akkor pedig ott a gazdasági és társadalmi kérdés. Az adófizetők pénzéből nagyfokú állami támogatás jut erre a területre úgy, hogy az eredmény társadalmi haszna kérdéses, nem is beszélve a korrupció veszélyéről. Mindezek mellett továbbra is tény marad, hogy a fotoszintézis jelenleg az egyetlen hatékony folyamat a napenergia nagy mennyiségű tárolására.

Jelenleg is folynak azok a kísérletek, melyeknek célja felgyorsítani a fotoszintézist, és a folyamatba belenyúlva, az egyik legjelentősebb alternatív energiaforrás, vagyis a hidrogén előállítására késztetni baktériumokat és növényeket.

A Nature Nanotechnology című tudományos folyóiratban november elején közölt szakcikk szerint sikerült úgy előállítani hidrogént, hogy kétfajta baktérium, a T. elongatus és a Synechocystis fotoszintézisért felelős struktúráihoz (PSI) platina nanofürtöket kapcsoltak. A PSI a víz elektronjait továbbítja a cukrot és oxigént termelő sejtszervecskékhez. A nanorészecskék elfogják ezeket az elektronokat, melyek a fölös hidrogénprotonokhoz kapcsolódnak, így hidrogén termelődik. Mintegy 4 négyzetméternyi baktérium, körülbelül 299 liter üzemanyag kiváltására alkalmas hidrogént termel.