150

Energiatárolás kémiai úton

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

faszénföldgáz

vízenergiakőolaj

nukleáris energia

2000195019001850

1.1. A legfontosabb energiahordo-zók felhasználásának változása az utóbbi kétszáz évben

fűtésvízmelegítéshűtőszekrénymosogatásmosás, vasalásszámítógép, monitor

egyéb

tv, DVDvilágítás

45%11%

6%

2%2%

2%10%

7%15%

1.2. Mire megy el az energia? Egy átlagos háztartás éves energiafel-használásának összetevői

1.4. Oláh György (1927–) Nobel-díjas kémikusunk szerint a jövő üzemanyaga a metanol

1.Központihelyen Akémiaienergia

Napjainkban az emberiség egyik legégetőbb problémája az egyre növekvő energiafelhasználás, a kiapadófélben lévő szén-, kőolaj- és földgázkészle-tek, az energiafelhasználást kísérő környezeti károsodások (1.1. ábra).

Az energiagazdálkodásban központi szerepe van a kémiai ener-giának, hiszen egyrészt kölcsönösen átalakítható más energiafajtákká: hővé, elektromos energiává, sugárzási energiává vagy mechanikai ener-giává (1.3. ábra); másrészt megfelelő anyagok, ún. energiahordozók formájában tárolható is.

Kémiai energiahő elektromos fény mechanikai

1.3. Középpontban a kémiai energia

Kémiai energiának nevezzük az anyagok kémiai átalakulásakor a ké-miai kötések átrendeződésével kapcsolatos energiaváltozást, amely megjelenhet hő-, elektromos, sugárzási vagy mechanikai energia for-májában is. Azokat az anyagokat, amelyek kémiai kötések révén ener-giát tárolnak, energiahordozóknak nevezzük. Az ideális energiahor-dozó olcsó és könnyen kezelhető. Az energiahordozó annál jobb, minél nagyobb a fajlagos energiatartalma, azaz minél kisebb mennyiségével minél nagyobb energiát lehet tárolni, illetve felszabadítani. Az ideális energiahordozó környezetbarát, tehát sem előállítása, sem felhasználá-sa nem szennyezi a környezetet. Ezeknek a követelmények leginkább a hidrogén (H2) tesz eleget, de jó energiahordozónak tekinthető a metán (CH4) és a metanol (CH3OH) is (1.4. ábra).

Az energiahordozó előállítása (az energia tárolása) mindig endo-term folyamat, míg az energia „kinyerése” (az energiahordozó felhasz-nálása) mindig exoterm folyamat.

A kémiai energia tehát benne van az energiahordozóban, a szénben, a földgázban vagy az élelmiszerekben?

Nem! Az energia nem az anyagban van, hanem az anyag átalakulásakor, tehát egy folyamat során keletkezik. Talál-koztunk már például a párolgáshővel. Ezzel ugyan jelle-

mezhetünk egy folyadékot, de valójában a párolgáshő akkor jelenik meg, amikor a folyadék elpárolog, tehát átalakul.

151

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Ne csak nézd!Az energiaitalokban nem ener gia, hanem kémiai ener-gia hordozó (háromféle cu-kor) és agyműködést ser-kentő anyag van. Rendszeres fogyasztásuk akár életve-szélyes is lehet! Nézz utána, hogy milyen káros és hasz-nos élettani hatásai vannak az energiaitaloknak!

1.6. Energiaital

1.7. A táplálék is kémiai ener-giahordozó. Számos energiadús élelmiszer – pl. a gyorséttermek szendvicsei – rendszeres fogyasz-tása káros az egészségre!

1.8. Az energia egyik gyakran használt formája: az elektromos energia. Az elektromos energia ún. közvetítő energia: könnyen szállítható, és könnyen átalakít-ható más energiaformává

1.5. Fosszilis energiahordozók: a szén, a kőolaj és a földgáz. Napjaink legjelentő-sebb energiahordozói. Évmilliárdok alatt kialakult „napenergia-konzervek”

A természetben előforduló ún. fosszilis energiahordozók (fosszilis: „megkövült”) – a szén, a kőolaj és a földgáz – valójában kémiai energia formájában „hordozzák” az energiát (1.5. ábra). Ezek az ősi növények és állatok maradványaiból keletkeztek. A szén, a kőolaj és a földgáz lényegében napenergia-konzerveknek tekinthetők, amelyekben a Nap sugárzási energiája kémiai energia formájában tárolódik. A fosszilis energiahordozók kémiai energiáját legnagyobb részben közvetlenül hő formájában használjuk fel (hőközpontok, fűtés gázzal, olajjal, szénnel). A hőerőművekben a hővé alakított kémiai energiát gőzturbinák elekt-romos energiává alakítják át. Az elektromos energiával lehet fűteni (át-alakulás hővé), lehet elektromotort hajtani (átalakulás mechanikai ener-giává), lehet világítani (átalakulás sugárzási energiává) és vissza lehet alakítani kémiai energiává (akkumulátorok feltöltése). A kémiai energia közvetlenül mechanikai energiává alakul át a belső égésű motorokban és a repülőgépek hajtóműveiben. Ma már ismeretesek olyan berendezések is, amelyekben a kémiai energia közvetlenül elektromos energiává alakul (tüzelőanyag-cellák). Ez azért jelentős, mert a különböző energiafajtákat elvileg maradék nélkül át lehet alakítani egymásba, kivéve a hőt. Azok az energiaátalakítások tehát, amelyekben a hő közbenső energiafajtaként jelenik meg, szükségképpen veszteségesek.

A fosszilis energiahordozóknak széles körű felhasználása ismert. Nemcsak üzemanyagként, hanem vegyipari nyersanyagként is jelen-tősek. A napjainkban annyira fejlett műanyagipar például szinte teljes egészében kőolajalapú. A fosszilis energiahordozókon alapuló ener-giagazdálkodásnak azonban számos problémája van. Az egyik, hogy a szén-, a kőolaj- és a földgázkészletek végesek, egyszer elfogynak. A másik, hogy földrajzilag nagyon egyenetlen az eloszlásuk a Földön, és ez számos politikai és életszínvonalbeli kérdést vet fel. Nem véletlen, hogy az utóbbi évtizedek háborús konfliktusai mögött szinte mindig megtalálható az energiahordozókért folyó harc is. A harmadik probléma a fosszilis energiahordozókkal, hogy felszínre hozataluk, szállításuk és feldolgozásuk nagyon sok környezeti károsodást eredményez (pl. üveg-házhatás fokozódása, élővizek szennyeződése stb.).

Manapság annyit hallani a megújuló vagy alternatív ener-giaforrásokról, a napenergiáról, a biogázról, a bioetanolról és a biodízelről. Miért nem terjedtek még el ezek a környe-zetbarát és gyakorlatilag kimeríthetetlen energiaforrások?

152

Energiatárolás kémiai úton

•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

1.9. A sugárzási energia is fontos életünkben. A földi élet a Nap sugárzási energiája nélkül nem létezhetne

1.10. Az energia legközönségesebb formája a mechanikai energia. A gépjárművekben a benzin vagy a dízelolaj kémiai energiája alakul át mozgási energiává és hővé

Ne csak nézd!Projektmunka keretében dol-gozzátok fel a nap-, a szél- és a vízi energia hasznosításá-nak előnyeit és problémáit!

1.11. Megújuló energiaforrások: a szél, a napsugárzás, a folyóvíz. Az emberiség évezredek óta használja, mégsem terjedt el széles körben, mert elérhetősége függ a napszaktól, az időjárástól és a földrajzi helytől

Manapság egyre nagyobb az igény a megújuló vagy alternatív ener-giaforrások hasznosítására (1.11. ábra). A Nap sugárzási energiájának felhasználását azonban gátolja a sugárzás erősségének időjárástól, nap-szaktól és földrajzi helytől való függése. Ipari méretű hasznosításához meg kellene oldani a sugárzási energia hatékony átalakítását kémiai energiává, és az átalakított energia tárolását.

De hiszen ezt a természet már régen megoldotta. A zöld nö-vényekben a fotoszintézis során a Nap sugárzási energiája alakítja át a szén-dioxidot és a vizet szőlőcukorrá.

Ez igaz, de olyan mesterséges rendszert, amelyben a nap-energia legalább olyan hatásfokkal alakulna át kémiai energiává, mint a zöld növényekben, még nem sikerült létrehozni. Ez a jövő kémikusainak egyik nagy kihívása!

A növényi fotoszintézist már valóban használják üzemanyag-terme-lésre. Ez az alapja a bioetanol és a biodízel előállításának.

A növényi fotoszintézis mint energiaátalakító rendszer felhasználásá-val lehet a Nap sugárzási energiáját a biogáz, a bioetanol és a biodízel kémiai energiájává átalakítani. Kiderült azonban, hogy ezek előállítása sem annyira környezetbarát, amint azt kezdetben hitték (1.12. ábra).

biodízel biogáz élelem

A vízi erőművek és a szélerőművek elsősorban elektromos energiát ter-melnek. A folyók és a szél mechanikai energiájának közvetlenül kémiai energiává történő átalakítása és tárolása szintén megoldatlan kérdés.

Sokfélekémia

A kémiai energia és a különböző más energiák kölcsönös átalakulásai-nak vizsgálatával a kémia különböző területei foglalkoznak.

A hő és a kémiai energia kapcsolatát a termokémia vizsgálja. Az elektromos energia és a kémiai energia kölcsönös átalakulásaival az elektrokémia foglalkozik. Fotokémiának nevezzük a kémia azon ágát, amely a sugárzási energia és a kémiai energia kapcsolatát tanulmányoz-za. A mechanokémia a mechanikai energia és a kémiai energia viszo-nyát vizsgálja. Ahhoz, hogy megértsük az energiaátalakítás és -tárolás problémáit, ismernünk kell a termokémia, az elektrokémia, a fotokémia és a mechanokémia alapjait. A továbbiakban a két legfontosabb terület-tel, a termokémiával és az elektrokémiával fogunk megismerkedni.

1.12. Így is lehet energiát termelni. Csak az arányok-ra vigyázni kell, nehogy termőföldjeink jelentős részét biogáz és biodízel előállítására használjuk – és éhen haljunk…

fotoszintézis

153

A kémiai energia:B   anyagok kémiai átalakulásakor a kémiai kötések átrendeződésével kapcsolatos energiavál-

tozás, amely megjelenhet hő-, elektromos, sugárzási vagy mechanikai energia formájában is;

B   az energia hatékony tárolásának formája;B   kémiai energiahordozók a fosszilis energiaforrások és a tápanyagok is;B   kölcsönös átalakulásai más energiaformákká:  C   a termokémia: kémiai energia hő  C   az elektrokémia: kémiai energia elektromos energia  C   a fotokémia: kémiai energia sugárzási energia

1. Projektmunka keretében dolgozzátok fel a) a fűtés történetét; b) a világítás történetét! 2. Projektmunka keretében dolgozzátok fel a) a fotokémia alapjait; b) a mechanokémia alapjait! 3. Rendezzetek vitát a következő témákról! a) Egyedi fűtés vagy központi fűtés? b) Benzin vagy dízelolaj? c) A repcetermesztés előnyei és hátrányai. d) Fával, szénnel vagy földgázzal? 4. Bár az energiatárolás leghatékonyabb módja a kémiai energiává történő átalakítás, léteznek olyan

tároló rendszerek is, amelyek nem kémiai energia formájában tárolják az energiát. Nézz utána, hogy milyen lehetőségek vannak még az energiatárolásra!

2.EgyhőstémaAreakcióhő

Egyik osztálytársam olyan kis egyszer használható tasakokat hozott magával a sítáborba, amelyet ha felbontottunk, a ben-ne lévő por a levegővel érintkezve felmelegedett. Ezzel me-legítette elfagyott ujjait és arcát. Utánanéztünk az interneten:

rendkívül finom eloszlású vaspor, szénpor és konyhasó van benne, amely gyorsan oxidálódik és közben hő szabadul fel.

Ehhez hasonló tölteteket elterjedten használtak már a II. vi-lágháborúban is konzervek melegítésére. A hadszintéren ugyanis nem mindig tanácsos tüzet gyújtani. 1995-ben jelentek meg az első félkész ételek, melyekben a

főzéshez szükséges hőmennyiséget beépített melegítő töltet biztosít-ja kb. 15 percen keresztül (2.1. ábra).

Ne csak nézd!Kiknek ajánlják a melegítő-töltettel rendelkező ételeket?

2.1. Japán hőtasak. Kinyitás után a levegővel érintkező vaspor gyorsan oxidálódik, és közben hő fejlődik

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••