Download
1 / 31
310 likes | 477 Views
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János. Megújuló energiaforrások Energetikai mérnök BSc Gépész- és egyéb mérnök BSc. Kurzusok, beszámolók.
E N D
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépészmérnöki KarEnergetikai Gépek és Rendszerek TanszékDr. Ősz János Megújuló energiaforrások Energetikai mérnök BSc Gépész- és egyéb mérnök BSc
Kurzusok, beszámolók • Energetikai BSchőenergetika szakirány (kötelező, 6. szemeszter, 2ea+1labor, évközi jegy), • Gépész- és egyéb mérnökBSc (választható, 2ea, évközi jegy). • 2 db írásbeli beszámoló (>50 %) a 7. és 14. héten + pótbeszámoló a pótlási héten.
Energetika, energiaellátás • Feladata: a nemzetgazdaság (települések, ipari és mezőgazdasági üzemek, intézmények és lakosság) biztonságos, gazdaságos, környezetbarát és fenntartható ellátása. • Területei: • Primer és szekunder energiahordozók • előállítása, • szállítása, elosztása, tárolása, • végfelhasználása. Mindhárom alrendszerben sokféleség és sokszínűség. A fogyasztók mindig teljesítményt [P, W=J/s] igényelnek, melynek idő szerinti integrálját az energiát [E, J] tartjuk nyilván.
Energiahordozók • Primer ≡ tüzelőanyagok: • Fosszilis (CO2-kibocsátó): • szén, • szénhidrogén (kőolaj, földgáz); • Fisszilis (CO2-mentes): • nukleáris). • Megújuló energiaforrások (CO2-mentes): • napenergia, • víz (árapály, hullám), • szél, • geotermikus („földhő”), • biomassza (köztük az emberi tevékenység hulladékai) → megújuló tüzelőanyagok (CO2-semleges). • Szekunder: • üzemanyagok (mechanikai hajtás), • villamos energia (világítás, információtechnika, hajtás, hő, hűtés), • hő (fűtés, hmv, technológiai).
A megújuló energiaforrások hasznosítása • szél • víz • (árapály) • napsugárzás • földhő • biomassza (hulladék) • Villamos energia • Hő • Üzemanyag
Kötött energiák • Kémiailag kötött energia (fűtőérték): • Üzemanyag: • benzin: 36 GJ/m3, 48,8 GJ/t (ρ=0,737 t/m3), • Gázolaj: 39,5 GJ/m3, 48,2-41,6 GJ/t (ρ=0,82-0,95 t/m3), • Tüzelőanyagok: • szén: 7-28 GJ/t, • fűtőolaj: 40-42 GJ/t, • földgáz: 34 GJ/ezer Nm3 (48 GJ/t) • PB-gáz 45 GJ/t • biomassza: 10-16 GJ/t, • hulladék: 6-10 GJ/t. • (hidrogén: 112 GJ/t). • Nukleáris „kötött” energia (kiégési szint): • fűtőelem kazetták: (4,5-6).106 GJ/t (3-5 g U-235 kiégetésével).
Magyarország 2008 • Vezetékes energiahordozók: • földgáz (446 PJ/év, E nélkül: 305 PJ/év): országos földgáz-hálózat, • villamos energia (Qü=395 PJ/év, E=133 PJ/év, ηE=33,6 %): országos villamos hálózat, • távhő (46 PJ/év): lokális távhőrendszerek. • A földgáz (nagynyomású) és villamos energia (nagyfeszültségű) alaphálózat országok közötti összekapcsolódása. • A földgáz és villamos energia (700 PJ/év) részaránya 62,6% (1120 PJ/év). • Üzemanyag-felhasználás: kb. 4,0 Mt/év, kb. 190 PJ/év. • Egyéb: 72 PJ/év. • Az OECD országok (így hazánk is): • hajtás: 20-30 %, • hő: 60-70 %, • világítás, információtechnika: 5-10 %.
Megújuló energiaforrások • A múltban (1750-ig) az izomerő mellett a meghatározó energiaforrás: • tűzifa (biomassza) → hő, • szélerő-hasznosítás (malmok, vitorlás hajók), • vízerő-hasznosítás (malmok), • geotermikus (fűtés, melegvíz). • A múltban is voltak energiaválságok, energiahordozó-hiányok, de lokálisan (túl messze (30-40 km) kerültek az erdőtől, pl. elnéptelenedett városok Európában, Dél-Amerikában, Délkelet-Ázsiában). • Jelen: Fogyasztó társadalom vége? A primer energiahordozó készletek végessége és a CO2-szennyezés hatása → megújuló energiaforrások hasznosítása. • Jövő: a fenntartható társadalom (energetika) kialakítása.
Fenntartható fejlődés • Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. • „A fenntartható fejlődés olyan fejlődés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jövő generációit abban, hogy ők is kielégíthessék szükségleteiket.” [Brundtland „Közös jövőnk” jelentés, 1984-87.]: • Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jövő generációk életlehetőségeit veszélyeztetik. • A lehető legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jövő generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthetők. • „Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük.” → környezeti hatástanulmány, engedély.
Szociális felelősség Versenyképesség Technológiai rendszerek + Gazdaság pl. technológiai fejlődés (hatékonyság), szociális biztonság és felelősség, érték létrehozása Fő energiapolitikai célkitűzések A fenntarthatóság sajátosságai Ökonomiai felelősség Energiaellátás biztonsága pl. a hazai energiahordozók előnyben részesítése Ökológiai felelősség Környezet- és klímavédelem pl. az ember klímaváltoztató hatásának, talajerózió, eutrofizáció mérséklése, földátalakítás, biodiverzitás biztosítása Fenntartható társadalom energetika
EU közös energiapolitikai célok • Versenyképesség (Lisszabon): belső piac, verseny, hálózati kapcsolatok, európai villamosenergia-hálózatok, K+F (tiszta szén, CO2-elnyeletés, alternatív tüzelőanyagok, energiahatékonyság, nukleáris energia). • Környezetvédelem (Kyoto): megújuló energiaforrások hasznosítása, energiahatékonyság, nukleáris energia, innováció és kutatás, CO2-emisszió kereskedelem. • Ellátásbiztonság: nemzetközi párbeszéd, beszerzési források diverzifikálása, európai készletgazdálkodás (olaj, földgáz), finomító kapacitás és energiatárolás. • A fenntartható energetika: • Versenyképesség: minél kisebb költségű energiahordozó összetétel, • Környezet- és klímavédelem:a szennyezőanyagok minél kisebb globális (CO2) és lokális kibocsátása; • Ellátásbiztonság: több energiahordozóra épülő, arányos energiahordozó összetétel; harmonikus egysége („szentháromsága”).
Környezeti szűkösség [T. F. Homer-Dixon] • Az erőforrás-szűkösség létezésünk mindenütt jelenlévő jellemzője, aminek három formája: • kínálat indukálta (rendelkezésre álló erőforrás mennyisége csökken, vagy minősége romlik → torta zsugorodik), • kereslet indukálta (növekvő népesség azonos mennyiségű erőforrásból az egyed számára egyre kevesebbet juttat → az egyed tortaszelete zsugorodik), • strukturális (a különböző csoportok erőforráshoz való hozzáférésében beálló változások: egyes csoportok aránytalanul nagyobb tortaszeletet kapnak, míg más csoportok kisebbet). • A globális humán-ökológiai rendszer kilenc fizikai irányvonala: • népességnövekedés, • energiafogyasztás, • globális felmelegedés, • a sztratoszférikus ózonréteg károsodása (?), • a mezőgazdasági termőterület szűkössége, • a trópusi erdőirtás, • az ivóvíz-szűkösség, • a halállomány csökkenése, • a biodiverzitás veszteségei.
Világ • Nagyságrendnyi társadalmi, gazdasági (köztük energetikai) különbségek: • Népesség: • 1900: 1,6 milliárd fő (0,7 milliárd fő ipari országok, 44 %), • 2003: 6,0 milliárd fő (1,4 milliárd fő ipari országok, 23 %). • GDP/fő.év: • Országtól függően néhány száz USD/fő-től néhány tízezer USD/fő (két nagyságrend). • Energiafogyasztás: • Világátlag: 80 GJ/fő.év, • Fekete Afrika: 13 GJ/fő.év, • USA: 325 GJ/fő.év.
Világgazdaság • Kétpólusú (Európa, USA): kb. 1945-ig, • Multipólusú: napjainkban (ország-csoportok). • Multikulturális (Huntington: „civilizációk harca”): • Protestáns (USA, Kanada, Ausztrália, Ny-Európa), katolikus (DNY- és Kö-Európa), ortodox (DK-Európa, Oroszország), • Római katolikus (Dél-Amerika), • Iszlám, • Tao, buddhista, shinto, • Hindu, • Törzsi. • Feltörekvő országok (BRIC): • (BRIC) → Brazília, Oroszország, India, Kína, • de mellettük Indonézia, Dél-Afrikai Köztársaság, Mexikó, stb. • G-8, G-20, G-42. • Regionális együttműködések, szerveződések. • Centrum (Ny-Európa, K-USA, napjainkban K-Ázsia, Ny-USA), fejlett, első világ és periféria, fejletlen országok, harmadik világ „harca”.
Versenyképesség: tüzelőanyagok • Energiahordozó készletek „látható” véges mennyisége: • szén (150-200 év), • kőolaj (40-50 év, olajpalával 80-100 év), • földgáz (40-50 (100) év, szénből mesterséges metán?), • urán (U-235 (5 g/kg), 80-100 év, jobb hasznosítással, más üzemanyaggal (Th-232→U-233)?), • A tüzelőanyagok egymással való helyettesítése korlátozott. • A szénhidrogének eloszlása egyenlőtlen: • kőolaj (62 % arab országok, 12 % Oroszország), • földgáz (40 % arab országok, 36 % Oroszország (+közép-ázsiai utódállamok)). • A szén és urán eloszlása kiegyensúlyozottabb, de urán üzemanyag-előállítás csak néhány országban (USA, Oroszország, Anglia-Franciaország, Kína, India, Izrael, Dél-Afrikai Közt., Pakisztán) • Ennek következtében az energiahordozók ára növekszik: • egyre drágább lelőhelyek kitermelése, • az egyenlőtlen eloszlás miatt nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus), • jövőben (?): környezet, szűkösség, erőszak.
Versenyképesség: megújuló energiaforrások • Napsugárzás: 5,4.106 EJ/év, • Ebből levegőben, földön óceánon hővé alakul (47 %): 2,55.106 EJ/év, • Rövid hullámon visszaverődik az űrbe (30 %): 1,64.106 EJ/év, • Hidrológiai (elpárolgás, csapadék) ciklus (23 %): 1,26.106 EJ/év, • Szél, hullámzás (<1 %): 11,7.103 EJ/év, • Fotoszintézis (biomassza): 1,26.103 EJ/év, • Óceán árapály: 93,6 EJ/év, • Vulkánok, forró források: 9,36 EJ/év, • Hővezetés a kőzetekben (átlag 30 km): 1,01.103 EJ/év. • A világ jelenlegi primerenergia-felhasználása: 450 EJ/év, azaz a napenergia elvileg 5666-ször, szél 26-szor, a biomassza 2,8-szor több, mint a jelenlegi évi felhasználás. Akkor mi a probléma? • 2/3 (tenger) : 1/3 (szárazföld), • kicsi teljesítmény-sűrűség, • rendelkezésre állás (éjjel-nappal, fúj, nem fúj, termesztési ciklus). • Az eddig ismert technológiák nem elég hatékonyak. • Ennek következtében a megújuló energiaforrásokból előállított energia egyelőre drágább, mint a tüzelőanyagokból a meglévő technológiákkal előállított.
Globális klímaváltozás a 21. században (előrejelzések)
Környezet- és klímavédelem • A világ CO2 kibocsátása 2008-ban 30,2 milliárd t/év (1990-ben 22 milliárd t/év) volt. • Fosszilis hőerőművek villamosenergia-termelésének fajlagos CO2-kibocsátása: • Szén (ηE=28-42 %, q=12,86-8,57 kJü/kWhe): 1,39-0,93 kg CO2/kWhe, • Földgáz (ηE=33-56 %, q=10,91-6,43 kJü/kWhe): 0,6-0,35 kg CO2/kWhe. • Karbon-mentes technológiák: • Hidrogén, • Atomerőművek, • Megújuló energiaforrások (nap, szél, víz, geotermikus). • DE az előállításukhoz, felépítésükhöz felhasznált (számított) fosszilis energia CO2-kibocsátását figyelembe veszik! • Jogilag karbon-mentes, „karbon-semleges”: • Másodlagos biomassza-technológiák (termesztésükhöz, energetikai felhasználásukhoz kevesebb CO2 kibocsátással járó fosszilis energiafelhasználás, mint ami eltüzelésükkel jár); • Kommunális, ipari hulladék (kényszer!). • Sztratoszférikus ózonréteg károsodása: • üvegházhatású gázok (metán, fluor, stb.). • Lokális környezetszennyezés (technológiailag megoldott, többletköltség?): • Pernye (leválasztás), • SOx (füstgáz-kéntelenítés), • NOx (DENOX, fluid-tüzelés, katalizátor).
Az energiahordozók ellátásának biztonsága • Arányos energiahordozó struktúra (fejlett országok növekvő importfüggése): • Saját termelés (fosszilis, karbon-mentes), • Import (primer, szekunder). A hazai energiahordozók előnyben részesítése! • Forrásdiverzifikáció: • Az import energiahordozók több forrásból való beszerzése (ha lehetséges). • Készletezés, tartalék: • A tárolható primerenergia (szén, földgáz, olaj) felhalmozása a kisebb fogyasztású időszakban (nyáron) a nagyfogyasztású időszakra (télre). • A nem tárolható villamos energia (csúcs, menetrendtartó, alap) erőmű összetétele, szabályozhatósága, tartalékerőművek, • A kevés tüzelőanyagot felhasználó atomerőművek (42 t fűtőelem-köteg (14 t üzemanyag)/440 MWeév). • Energiatakarékosság: • Hatékonyabb (jobb hatásfokú) energiatermelés, • Hatékonyabb, jóval takarékosabb energiafelhasználás.
Ellátásbiztonság • Nagy egyenlőtlenségek a régiók között: ott van kevés forrás, ahol nagy a felhasználás, és ott van sok forrás, ahol kevés a felhasználás. • A primerenergia-források messzebb, nehezebb körülmények között vannak, egyre hosszabbak a szállítási útvonalak. • Egyre több szűk keresztmetszet (csővezetékek, tankerek, olajfinomítók, szakember-hiány!). • Feltörekvő országok (Kína, India, Brazília, Mexikó) gyorsan fejlődő gazdaságainak energiaigénye jelentősen nő. • Növekvő verseny → a nagy fogyasztók energiaellátásának egyre nagyobb része importból → importfüggőség → az ellátásbiztonság sérül. • Nemzetközi feltételektől való erős függés (terrorizmus, politikai zsarolás, bizonytalan jövőbeli környezetvédelmi követelmények) → konfliktusok lehetősége. • Nagy kereskedelmi szervezetek (pl. OPEC) által szervezett együttműködési szabályok.
Magyarország mennyiben felel meg a fenntartható energetika követelményeinek? • Versenyképesség • A hazai villamosenergia-rendszer (VER) része az UCTPE-nek, a földgáz-hálózat egy irányból, Oroszországból kapja a gázt, az osztrák csatlakozás kisegítő jellegű. • A földgáz- és villamosenergia-piac jogilag liberalizált, de az egyirányú beszállítás (földgáz), ill. az erőmű összetétele, kapacitása és import (VER) miatt a verseny korlátozott, miközben a hazai piac mérete kicsi. • A villamosenergia-termelés átlagos hatásfoka 33 %, a kapcsoltan termelt hővel együtt 37 %. • A hőtermelés hatásfoka – a tüzelőanyagtól és a kazán állapotától függően – 50-95 % között változhat. • A hő árát alapvetően (80 %-ban), a termelt villamos energia átlagárát részben (35 %-ban) a hosszú távon legjobb használati értékű, legkisebb CO2-kibocsátású, ezért legdrágább földgáz ára határozza meg, mert részaránya a hőtermelésben (a távhő 75 %-val együtt) 80 %, a villamosenergia-termelésben 35 %. • Az üzemanyag ára kb. 70 % adótartalommal bír (EU gyakorlat), különbség az adók számában (több) és a felhasználásban (nem csak közlekedésre fordítják) van.
Környezet- és klímavédelem • Egyelőre államilag kiosztott CO2-kvóták. • A fűtési hő a háztartások és szolgáltatások (52,6 %) energiafelhasználásának 70-80 %-át teszi ki. Az épületek szigetelése nem megfelelő, a fűtés hőigénye, hőfelhasználása pazarló. • A távhő részaránya – nemzetközi összehasonlításban is – jelentős (lakások 16 %-a), a távhőrendszerekben (az elmúlt húsz évben) számos, döntően földgáz-alapú kapcsolt (gázmotoros (>500 MWe) és gázturbinás (>1000 MWe)) egység létesült. • A villamosenergia-termelésben a karbon-mentes (nukleáris+megújuló) részaránya a primerenergiában 18 %, a termelt villamos energiában 42 %. • A hőtermelésben a karbon-mentes (megújulók) részarány a végenergiában (a hőtermelés tüzelőanyagában) mindössze 8 %. • Az üzemanyagoknál nem mérhető a bekevert, jogilag karbon-mentes bio-alkohol és bio-dízel mennyisége.
Ellátásbiztonság • Nincs egységes EU energiapolitika, s valószínűleg rövid időn belül nem is lesz. • A hazai energiapolitika nem részesíti előnyben a hazai energiahordozókat. • A primer energiahordozók arányossága jelentősen sérült (földgáz 41 %, főleg fűtési hő 80 %), egyre nagyobb mértékű, s így egyre kockázatosabb függés a GAZPROM-tól. • A kőolaj és üzemanyag készletek, valamint a tárolt földgáz mennyisége megfelel az EU irányelveknek. • A VER erőművek tartaléktartási követelményei közel megfelelnek az UCPTE előírásainak, miközben az erőművek összetétele a szabályozhatóság szempontjából kedvezőtlen.
Magyarország mennyiben felel meg a fenntartható energetika követelményeinek? • A hazai energetika jelenlegi energiahordozó összetétele nem felel meg a fenntartható energetika követelményeinek, mert • Versenyképesség: a primer és szekunder energiahordozók összetétele a kívánatosnáldrágább energiaellátást eredményez; • Környezet- és klímavédelem: a karbon-mentes technológiák részaránya a lehetségesnél jóval kisebb, • Energiaellátás biztonsága:a földgáz nagy részaránya miattsérült. • A fenntartható energetika követelményeit • hatékonyabb energiaigényekkel (kisebb primerenergia-felhasználás, elsősorban a hőfelhasználás területén), • a hazai primer energiahordozókra jobban alapozó (ellátásbiztonság javítása), • karbon-mentes (környezet- és klímavédelem), • hatékonyabb hő- és villamosenergia-termelő technológiákkal (kisebb primerenergia-felhasználás) lehet kielégíteni, • aminek következménye a felhasznált földgáz mennyiségének, részarányának csökkenése (a versenyképesség és ellátásbiztonság javulása).
