Energia mindenhol

1. Energia mindenhol Radnóti Katalin ELTE TTK Fizikai Intézet rad8012@helka.iif.hu http://members.iif.hu/rad8012/

2. Ne fogyassz sok energiát! Takarékoskodjunk az energiával! De az iskolában azt tanítjuk, hogy az energia megmarad. Akkor most mi a helyzet?

3. Miről lesz szó? • Az energia fogalma, • az energiaátalakítás jelenlegi lehetőségei, • azok előnyei és hátrányai, • a való életből és valós adatokkal végzett modellszámítások, • az energiatermelés fizikai és kémiai alapjai, • a Világ, az Európai Unió és hazánk energia előállítási tervei.

4. Az energia a fizikai objektumok egyik skalár jellegű állapothatározója, amelynek a Világmindenség összes fizikai objektumára megállapított értékeinek összege állandó. Az energia-megmaradás törvényének felfedezése az egyik legnagyobb hatású fejlemény a természettudományokban.

5. Történet Az energia szó a görög ενεργεια kifejezésből ered, ahol az εν- jelentése „be-” az έργον-é pedig „munka” az -ια pedig absztrakt főnevet képez. Az εν-εργεια összetétel az ógörögben „isteni tett”-et vagy „bűvös cselekedet”-et jelentett, Arisztotelész később „ténykedés, művelet” értelemben használta. Galilei: lejtő és inga, kvalitatív megfogalmazás Eleven erő: tömeg x sebességnégyzet Coriolis: munkatétel Robert Mayer: trópusi vizeken a matrózok vénás vére

6. Galilei: Matematikai érvelések és bizonyítások két új tudományág, a mechanika és a mozgások köréből • 1. nap: A kor anyagtudományának összegzése, a végtelen nagy és kicsi fogalma, szabadesés előkészítése. • 2. nap: Mérnöki kérdések, tartók, gerendák. • 3. nap: Az egyenes vonalú egyenletes mozgás és a szabadesés tárgyalása. • 4. nap: Különböző hajítások.

7. A mechanikai energia megmaradásával magyarázható jelenségek

8. Az energia megmarad • "1840 nyarán a Jáva szigetére újonnan megérkezett európaiakon végrehajtott érvágásoknál azt tapasztaltam, hogy a kar vénájából eresztett vérnek majdnem kivétel nélkül föltűnően vörös színe volt. Ez a jelenség magára vonta teljes figyelmemet. Kiindulván a Lavoisier égés-elméletéből, mely az állati hőt égésfolyamatnak tulajdonítja, azt a kettős színváltozást, melyet a vér a kicsiny és a nagy körfutás hajszáledényeiben szenved, úgy tekintettem, mint a vérrel végbemenő oxidácziónak érzékileg észrevehető jelét, látható reflexusát. Az emberi test állandó mérsékletének megtartására kell, hogy annak hőfejlesztése a hő veszteségével, tehát a környező médium mérsékletével is szükségképen bizonyos értékviszonyban álljon s ennélfogva kell, hogy mind a hőtermelés és az oxidáczió- folyamat, mind pedig mind a két vérnemnek színkülönbsége a forró égöv alatt egészben véve kisebb legyen mint a hidegebb vidékeken." E = w + Q

9. Kiskocsik és rugók

10. Mai életünk további fenntartásához a következő három fő területeken van szükségünk energiára • Elektromos energia, egyre nagyobb számú elektromos berendezéseink működtetéséhez, • termikus energia a fűtéshez és a legkülönfélébb technológiai folyamatokhoz, • folyékony üzemanyag a közlekedéshez, szállításhoz, a mezőgazdasághoz (traktorba gázolaj stb.).

11. Energiatermelés, erőművek Fogalmi problémák erő – energia munka – hő - energia Primer energia – átalakítás- felhasználás

12. Primer energiaforrások • A Napból származó energia, melyen nem csak a napfény energiáját kell érteni, hanem a különböző körülmények között „eltárolt napenergiát”, mint a biomassza, de ide tartoznak a különböző fosszilis energiaforrások, mint a szén, a kőolaj és a földgáz. Ezek több millió év alatt keletkeztek a régen élt növények és állatok maradványaiból. Valójában a szélerőművek is a Napból származó energiát használják fel, hiszen a levegő áramlása amiatt alakul ki, hogy a Nap sugarai nem egyenletesen melegítik a Föld felszínét, így hőmérsékletkülönbség és ennek következtében nyomáskülönbség alakul ki. A vízenergia is visszavezethető a napenergiára, ugyanis a víz úgy jut el a Föld magasabb pontjaira, hogy a napsugárzás hatására elpárolgó víz felhőket képez, majd a felhőkből a víz csapadék formájában a magasan fekvő helyekre is hullik. • A Földből származó energia, mint a geotermikus és a nukleáris energia. Valójában a geotermikus energia is nukleárisnak tekinthető, hiszen a földet a radioaktív izotópok bomlása következtében felszabaduló hő melegíti.

13. Energiafelhasználás, hatásfok Carnot-féle körfolyamat Az energia ténylegesen megmarad a folyamatok során, ellenben csak egy része alakítható át munkává, másik része szétszóródik a környezetben a termodinamika második főtétele szerint. De éppen ez a szétszóródás teremti meg annak a lehetőségét, hogy egy részét munkavégzésre lehessen felhasználni!

14. Elektromágneses indukció Faraday Naplójából vett idézetek. 1831. augusztus 29. • „ … henger alakú rúdmágnes egyik végét bedugtam a henger alakú tekercs végébe - utána gyorsan egész hosszában bedugtam, amire a galvanométer tűje megmozdult, amikor kihúztam a tű ismét megmozdult az ellenkező irányban. Ez a hatás minden alkalommal megismétlődött, ha a mágnest a hengerbe tettem, vagy onnan kivettem …” • „A tű nem maradt meg elfordult helyzetében, minden alkalommal visszatért a helyére.”

15. DRS 20.21. Homogén B = 0,01 Tesla mágneses indukciójú mágneses mezőben, az indukcióvonalakra merőleges síkban egy l = 10 cm hosszúságú egyenes vezető mozog, melynek sebessége merőleges vezetőre. Határozzuk meg az indukált feszültséget az idő függvényében, ha a vezetőa.) 10 m/s állandó sebességgel mozog,b.) zérus kezdősebességről indulva 1 m/s2 gyorsulással mozog! Megoldás A mozgási indukció esetéről van szó mindkét esetben, amikor is az indukált feszültség U = B.l.v módon számítható. • Az a) esetben ez 0,01 V lesz, időben állandó feszültség jön létre. • A b) eset már érdekesebb. Mivel a sebesség változik, így a feszültség is változó lesz, a sebességhez hasonlóan egyenletesen változik az idő függvényében, mely U = B.l.v = B.l.a.t = 0,001 V/s . t alakban írható fel. Tehát az idő függvényében egyenletesen nő a feszültég értéke.

16. DRS 20.23. Egy vezetőkörben a fluxus a felső ábrán látható módon változik az idő függvényében. Hogyan változik az indukált feszültség az idő függvényében?

17. DRS 20.24. Homogén 0,2 Tesla indukciójú mágneses mezőben egy 10 cm átmérőjű gyűrű forog valamely átmérőjének meghosszabbítását képező és a mágneses mező indukcióvonalaira merőleges tengely körül 3000 1/perc fordulatszámmal. Hogyan változik az indukált feszültség az idő függvényében? A fluxus ebben az esetben a következőképp változik az idő függvényében: (t) = B.(A.cos) = B.A.cos.t • U = B.A..sin.t = U0.sin.t, • ahol U0 = B.A..

18. Transzformátor, generátor

19. Tiszaújvárosban található Tisza II Hőerőmű 4 db 215 MW teljesítményű egységből áll. Az I. és II. számú blokk 3 fázisú 220 kV-on, a III. és IV. számú blokk 3 fázisú 400 kV-on keresztül csatlakozik az országos alaphálózatra. Az előállított elektromos teljesítményből mennyi veszik el, ha az itt termelt villamos energiamennyiségét távvezetéken a 150 km-re levő fővárosba továbbítjuk az I és II-es blokktól vagy a III és IV-es blokktól? A vezeték alumíniumból van, és az 1 fázishoz tartozó vezetékek összes keresztmetszete 160 mm2. P =.U.I, ebből kifejezve a távvezetéken létrejövő áramerősséget:- I=P/U. • Az I és II. blokkok esetében: I = 430 000 000/220 000. = 1954,54 A, • míg a III. és a IV. blokkok esetében I = 430 000 000/400 000.= 1075 A. P = I2. R Az I és II. blokkok esetében 107,45 MW megy veszendőbe, míg a III. és a IV. blokkok esetében 32,5 MW, tehát jóval kevesebb! Ennek az az oka, hogy nagyobb feszültségen történik a „szállítás”, ezért kisebb lesz a távvezetékben az áramerősség, melytől a veszteség négyzetesen függ. Ebből is látható, hogy nem érdemes kontinenseket átívelő vezetékhálózatokat létesíteni, mert nem tudunk több MV-os távvezeték hálózatokat készíteni, így a megtermelt villamos energia jelentős része elveszne.

20. Energiatároló vegyületek A szerves vegyületek egyik fontos típusát jelentik azok, melyek a kémiai kötéseikben energiát tárolnak, és a kötések átalakításával ez az energia átalakítható más formává. Nézzük meg, mi is történik a legegyszerűbb szénhidrogén, a metán égésének példáján keresztül? CH4+ 2O2 → CO2 + 2H2O + …891..kJ/mol A víz képződéshője 242 kJ/mol. Számítsuk ki, hogy mekkora a potenciálesés az O-H kötés kialakulásakor? Egy mól O-H kötés létrejötte ennek a fele, vagyis 121 kJ, egy darab pedig 0,2 aJ energia felszabadulását eredményezi. 0,2 aJ , 0,63 V a potenciálesés. Apoláros kötések nagyobb kötési energiája lehetőséget ad arra, hogy az apoláros kötésekben energiát tároljunk, majd a kötést polárossá alakítva az energia bármikor felszabadítható.

21. Mt CO • 2 • 15 • Forrás: • Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 61. k. 9 .sz. 2011. p. 67 • - • 78. Szén-dioxid kibocsátás 2010Magyarország 51 millió tonna

22. Magyarország 5.1 tonna szén-dioxid/fő

24. Klímaváltozás – a megelőzés kedves utópia Az üvegházhatású gázok koncentrációjának kritikus szintje 450 ppm. A jelenlegi szint 390 részecske/millió. A trendek szerint 2017-re elérjük a kritikus szintet. 2017-től kizárólag csak nulla kibocsátású erőművek, épületek, üzemek, közlekedési eszközök épülhetnek, illetve kerülhetnek forgalomba. 2017 után elvesztjük annak esélyét, hogy a hőmérséklet globális emelkedését 2 °C fokra korlátozzuk.

25. A világ és az EU energiaigénye • A világ energiaigénye 1980-ban 7229 millió tonna olajegyenérték (Mtoe) volt, míg 2008-ra ez közel 70%-kal, 12 271 Mtoe –ra emelkedett (1 toe = 41,868 GJ). Az ENSZ adatai szerint jelenleg olyan ütemben használjuk fel a természetes energiaforrásainkat, mintha nem 1, hanem 1,4 Földünk lenne. • Az EU országok energia igénye 1700 Mtoe körüli érték évente. • A Földön kitermelhető fosszilis energiaforrások biztosítják ennek közel 80%-át. • Az uránkészletek a jelenlegi felhasználás mellett körülbelül 100-120 évre elegendőek. • További lehetőség a tórium felhasználása. • A 27 EU tag ország jelentős mértékben függ az orosz földgáztól. Az import 42%-a Oroszországból 24% Norvégiából és 18% Algériából származott 2009-ben. • Az energia 44%-át a fejlett országok használják el, miközben lakosságuk csak a népesség 18%-át teszi ki.

26. Nemzeti Energiastratégia 2030 Hazánk energiafelhasználása 2010-ben 1085 PJ volt, és célkitűzés, hogy ez 2030-ra se haladja meg az 1150 PJ-t. (1 PJ = 1015 J) Hazánk energetikai szempontból sebezhető, mert fosszilis energiahordozók importjából fedezzük energiaszükségeltünk 62%-át. Ezen belül a földgáz szükségletünk 82%-a import. Tennivalók: ●energiatakarékosság és energiahatékonyság fokozása, ●megújuló energia a lehető legmagasabb arányban, ●biztonságos atomenergia és az erre épülő közlekedési elektrifikáció, ●kapcsolódás az európai energia infrastruktúrához, ●a hazai szén- és lignitvagyon fenntartható, környezetbarát felhasználása.

27. A hazai szén- és lignitvagyon fenntartható, környezetbarát felhasználása A szén alapú energiatermelés szinten tartása három okból indokolt: Energetikai krízishelyzetben (pl. földgáz árrobbanás, rendszer-szintű üzemzavar) az egyedüli gyorsan mozgósítható belső tartalék Földgáz import kiváltó alternatíva, foglalkoztatás bővítési lehetőséggel Ez értékes szakmai kultúra végleges elvesztésének megelőzése a fentiek miatt és a jövőbeni nagyobb arányú felhasználás lehetőségének fenntartása érdekében Ez utóbbi feltétele a fenntarthatósági- és ÜHG kibocsátás vállalási kritériumoknak való megfelelés (a széndioxid leválasztási és tiszta szén technológiák teljes körű alkalmazása)

28. Energiafelhasználásunk • Az összes energia 40 százalékát az épületekben használják fel, kétharmad részben fűtésre és hűtésre. • A hőigények mellett figyelembe kell venni, hogy megnőtt, és minden bizonnyal tovább fog növekedni a hűtés (klimatizálás) iránti igény is. Időjárásfüggő csúcsok megjelenésére kell számítani. • A legnagyobb, a teljes energiafelhasználás több mint 10 százalékát kitevő megtakarítást az épületek korszerűsítésével lehet elérni. Az energiapolitikában nincsenek ”tuti megoldások”, hanem csak alternatívák vannak, és minden energiatermelési módnak vannak előnyei és hátrányai. Nem létezik „szuper tiszta” energia. Minden energiatermelő berendezés megvalósítása, legyártása, a környezetbe való behelyezése is energiaigényes, továbbá beavatkozást, környezeti terhelést, szennyezést jelent. Például a szélerőművek lapátjaihoz szükséges szénszálak előállítása, a napelemekhez szükséges szilícium előállítása komoly és drága folyamat.

29. Megújuló energiaforrások Egy része – például a nap-, és a szélenergia - csak nagy területen, kis mennyiségben, és jelenleg túl drágán képesek energiát termelni, nem beszélve arról, hogy erősen függnek nap és évszaktól, valamint az időjárás szeszélyétől. A legtöbb megújuló energiát a vízerőművek szolgáltatják, azonban ezek kapacitása is véges, és környezeti terhelésük nagysága vitatott. Komoly lehetőség még az úgynevezett geotermikus energia, elsősorban a melegvíz fűtési célú felhasználása. A legígéretesebb lehetőségként a biomasszát tartják számon.

30. Biomassza A biomassza alatt - tágabb értelemben – a Földön élő élőlények összes tömegét értjük, energetikailag pedig főleg az eltüzelhető és fűtésre, vagy villamos energia termelésére használható növényeket, növényi és állati hulladékokat. • Növényei a növekedésük alatt rövid időn belül felhasználnak ugyanannyi szén-dioxidot, mint amennyi az előző mennyiség égetésekor keletkezett. • Ezek lehetnek mezőgazdasági és ipari hulladékok: szalma, állati trágya, olajpogácsa, depóniagáz; vagy lehetnek speciálisan erre a célra ültetett energianövények, elsősorban gyorsan növő lágyszárú növények, füvek. • Az elégetés során nem csak szén-dioxid keletkezik, hanem, szálló por, szén-monoxid, dioxin, különböző nitrogén oxidok stb., amelyeket nem vagy nagyon költségesen tudunk semlegesíteni, továbbá magas alkáli- és klórtartalma, korrozivitása, hamujának összeolvadási hajlandósága és az általa képzett lerakódások nagy problémákat okoznak a biomassza tüzelésű erőművek tervezése és üzemeltetése során.

31. Modellszámítás Hazánk 2010-es üzemanyag fogyasztása a KSH adatok szerint 3 milliárd liter volt, ami 3 milló m3 . Mekkora területen tudnánk ezt megtermelni? • Magyarország területe 93027,44 km2 , melynek 48%-a szántóföld, ami 44653,17 km2 = 4465317 ha (hektár). 1 ha = 100 m x 100 m = 10000 m2 = 0,01 km2 , a mezőgazdaságban még sok esetben ezt az egységet használják. • A termésátlag egy jó évben 8 tonna/ha kukoricára a statisztikai adatok szerint. • Ha mind a 48%-nyi termőföldön kukoricát termelnék az 8 t/ha x 4465317 ha = 35,72 millió tonna. • Számoljunk úgy, hogy 1 liter bioetanol előállításához kb. 3 kg kukorica szükséges (ennél biztosan kevesebb szükséges, csak rossz minőségű kukoricára igaz), akkor a 35,72 millió tonna kukoricából 35,72/3 = 11,9 millió m3bioetanol állítható elő. • A fenti számítás szerint ennek közel 4 x szeresét tudnánk megtermelni, ha a teljes mértékben csak ezt akarnánk előállítani. Továbbá a bioetanol fűtőértékét azonosnak vesszük a közlekedésben és a mezőgazdasági gépekben használt üzemanyagokéval. Vagyis hazánk teljes szükségletét elő tudnánk úgy állítani, hogy termőföldek ¼-ed részét használjuk erre a célra, mely hazán területének 12%-a. • Ez körülbelül két megye teljes területe.

32. Üzemanyagcella Az elemekhez hasonlóan a kémiai reakciókkal közvetlenül elektromosságot állítanak elő. A különbség az, hogy míg az elemeket kifogytuk után el kell dobni, az üzemanyagcella mindaddig üzemel, amíg üzemanyagot töltünk bele. • Az üzemanyagcella fő részei a cellák, elektródok és membrán. • Az oxidáció során elektronokat adnak le, amelyek a katódhoz vándorolva áramot hoznak létre. Két elektródából áll, egy elektrolit köré szendvicsszerűen préselve. Az anódon hidrogén, míg a katódon oxigén halad át. Katalizátor segítségével a hidrogénmolekulák protonokra és elektronokra bomlanak. A protonok keresztüláramlanak az elektroliton. Az elektronok áramlása mielőtt elérné a katódot, felhasználható elektromos fogyasztók által. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénmolekulákkal, vizet hozva létre. • Az egyik legnagyobb különbség azonban az akkumulátorok és az üzemanyagcellák között az, hogy az akkumulátorok esetében az üzemanyag felhasználása után az elem (vagy akkumulátor) cseréje (vagy feltöltése) szükséges, az üzemanyagcellákat azonban új üzemanyaggal folyamatosan lehet ellátni.

34. KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! rad8012@helka.iif.hu http://members.iif.hu/rad8012/