Transcript Rendszer10 - BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Gépészmérnöki Kar
Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Dr. Ősz János
Megújuló energiaforrások
illeszkedése a szekunder
energiahordozókhoz
Kapcsolatok
•
Szekunder energiahordozók:
– Üzemanyag → közlekedés (hajtás),
– Hő → fűtés, hmv, technológia,
– Villamos energia → közlekedés (hajtás), fűtés, hmv, technológia, világítás,
információtechnika.
•
•
Üzemanyag.
Vezetékes energiaellátó rendszerek:
– Földgáz,
– Villamos energia,
– Távhő (lokális).
•
Megújuló energiaforrások:
–
–
–
–
•
Bio-üzemanyag, biogáz → CH4 (SNG, RNG) → földgáz,
Víz-, szélerőművek (nap) → VER,
Biomassza (hulladék), geotermikus → távhő,
Biomassza (hulladék) → távhő + VER (kapcsolt).
Hatékonyság-javítás a három szekunder energiahordozó területén.
1. Üzemanyag
• Az üzemanyagok belső égésű motorok (gépjármű,
vasút, hajó) és gázturbinák (repülőgép) hajtóanyaga.
Az üzemanyagokat (benzin, gázolaj; kerozin) főleg
kőolajból finomítással és adalékok bekeverésével
állítják elő.
• A motorok, gázturbinák az üzemanyagok kémiailag
kötött energiáját (fűtőértékét) hasznosítják úgy, hogy
a felszabaduló tüzelőhőt mechanikai energiává
alakítják, ami általában haladó mozgásra
(közlekedés) szolgál.
• Magyarországon értékesített üzemanyag 2009-ben
110 PJ/év (3,1 Gl/év), ebből E-85 (3,2 Ml/év) volt,
– CO2-kibocsátás 7,4 Mt/év.
Üzemanyagok
– A benzin (oktán C8H18) fűtőértéke 48,8 MJ/kg, fajlagos CO2kibocsátása 0,063 t CO2/GJü;
– Az E85 bio-üzemanyag szemes növényekből (gabona, kukorica)
első generációs technológiával előállított etanol (etil-alkohol,
C2H5OH) és benzin ~70/30 % arányú keveréke. Fűtőértéke ~35,6
MJ/kg, fajlagos CO2-kibocsátása 0,012 t CO2/GJü;
– Szintetikus földgáz (RNG (USA), SNG (EU)) gazdaságos
üzemanyaggá válhat, amit mezőgazdasági melléktermékekből és
állattenyésztési hulladékokból állítanak elő. Fűtőértéke 34 MJ/Nm3
(47,2 MJ/kg), fajlagos CO2-kibocsátása 0,055 t CO2/GJü
(biomasszából karbon-mentes);
– Villamos energia „üzemanyag”, fajlagos CO2-kibocsátása 0,394 t
CO2/MWhe (hazai VER);
– Hidrogén gazdaságosan mezőgazdasági és állattenyésztési
hulladékból (algákból?) állítanák elő. A hidrogén fűtőértéke 119,6
MJ/kg, nincs CO2-kibocsátása.
Az üzemanyagok összehasonlítása
(L=100 km, E=21 kWhm)
Üzemanyag
Tüzelőhő
[MJü]
Hatásfok
Üzemanyagfelhasználás
Fajlagos
CO2kibocsátás
Benzin
216
0,35
6l
13,6
E85
216
0,35
7,6 l
2,6
Villamos
energia
286
0,37
26 kWhe
10,2
SNG/RNG
216
0,35
4,39 kg
C-semleges
(12 kg)
Üzemanyagcella
152
0,50
3,2
C-semleges
(8,4 kg)
Hidrogén
169
0,45
1,4
0
Technológia
•
•
Az üzemanyagok tisztasága, típusa → szakmakultúra.
Üzemanyagok:
–
–
–
–
–
–
•
Átmenet:
–
–
–
–
–
•
személygépkocsik,
tehergépkocsik, buszok,
motorvonatok,
hajók (dízel, földgáz),
atommeghajtású hajók, tengeralattjárók,
hidrogén-hajtású személygépkocsik, buszok.
tengeralattjárók rövid idejű akkumulátoros hajtása,
dízelgenerátoros hajtású hajók,
trolibusz,
villanymozdonyok,
hibrid (üzemanyag és villamos energia) személygépkocsik.
„Villamos energia” ↔ hidrogén, metán?
– személy-, tehergépkocsik, autóbuszok?
Földgázellátás
A hazai nagynyomású földgázhálózat [Zsuga]
V[m3/nap] -Τ [nap/év]
Csúcs
korlátozás
kitárolás
Vsz
tárolás
2. Hőellátás
• A hőt, „meleg energiát” (fűtés, melegvíz,
technológia) alapvetően a tüzelőanyagok kémiailag
kötött energiájából állítják elő, ami (esetenként)
kiegészülhet hulladékhő-hasznosítással előállított
hővel is.
• A fűtés, melegvíz, technológiai hő egy részét és a
hűtést, „hideg energiát” (abszorpciós hűtés
kivételével) pedig villamos energiával állítják elő.
• Magyarország 2009-ben:
– Lakossági fűtési hő: 116 PJ/év (Qü=132 PJ/év), MCO2=5,7
Mt/év,
– Használati melegvíz: 42 PJ/év, MCO2=2,8 Mt/év,
– Technológiai hő: 149 PJ/év, MCO2=10,0 Mt/év,
– CO2-kibocsátás: 18,5 Mt/év.
Magyarország
• ~4,3 millió lakás, amiből
–
–
–
–
–
–
~2,8 millió földgáz- (63 %),
652 ezer (15 %) távfűtött,
665 ezer fatüzelésű (15 %),
141 ezer szén,
5 ezer fűtőolaj,
60 ezer villamos energia.
• Meghatározó a földgáz részaránya, távfűtött lakásokkal együtt
~80 %.
• A lakosság hőfelhasználása csak becsülhető, mert csak a
földgáz és villamos energia fogyasztott mennyisége van mérve.
• Egy átlagos hazai lakás
–
–
–
–
főzésre 5 GJ/év (10 %),
használati melegvízre 13 GJ/év (25 %),
fűtésre 35 GJ/év (65 %),
összesen 53 GJ/év hőt használ fel.
A lakosság becsült hőfelhasználása 2008-ban
Típus
N [ezer db]
Főzés
Hmv
Fűtés
Tömbfűtés
160
0,48
1,92
5,6
Központi fűtés
1480
4,40
17,76
51,8
Konvektor
1010
3,03
12,12
35,35
Gázfűtés
2650
7,9
31,8
92,7 (66 %)
Távhő fűtés
650
1,95
2,1
17,3 (12 %)
Távhő hmv
475
Villamos
energia
60
0,18
0,72
2,1
Szén
140
0,42
1,68
4,9
Fűtőolaj
5
0,02
0,06
0,18
Tűzifa
665
2,0
7,98
23,27
Összes
4170
12,5
50,2
126,5
Nyaraló (fűtés
nélkül)
230
0,23
0,92
Összes
~4400
12,7
51,1
5,82
140,4
USA
• Fogyasztás
–
–
–
–
–
Helyiségfűtés 31 %,
Helyiséghűtés 12 %,
Hmv 12 %,
Világítás 11 %,
Számítógép,
elektronika 9 %,
– Háztartási
készülékek 9 %,
– Hűtés 8 %,
– Egyéb 8 %.
• Energiahordozó
– Földgáz: 53 %,
– Villamos energia: 30
%,
– Fűtőolaj: 7 %,
– Egyéb 9 %,
– Nincs fűtés 1 %.
Helyiségfűtés
• Helyiségfűtés → fogyasztói szokások:
– Milyen belső hőmérsékletet tartunk (tb=20±2 oC), de ettől eltérő is
lehet.
– (Mérsékelt, hideg égöv) a fűtési szezon időtartama eltérő,milyen
hőmérséklettől fűtünk?
• távhő< 12 oC,
• földgáz <15 oC,
• De országonként is eltérő.
– Fűtési mód:
• egyedi,
• központi,
• távfűtés.
– Hőigény → építési kultúra:
• az épület tájolása, nyílászárók, szigetelés → „energiatakarékos”
épületek,
• fűtési mód,
• szellőzés.
Hmv, technológiai hő
• Használati melegvíz (>45 oC) → fogyasztói szokások:
– fürdés, zuhanyozás,
– mosogatás,
– takarékosabb vízfelhasználás (l/főnap).
• Főzés → fogyasztói szokások:
– családi,
– étterem,
– előkészített ételek.
• Gazdasági technológiai → szakmakultúra:
– Hőigény:
• hatékonyabb (kisebb energiaigényű) technológiák,
• hulladékhő- és hulladékvíz-visszanyerés,
• kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés (alap) és kazán (csúcs
hőforrás) kooperációja,
• Üzemeltetés, karbantartás színvonala.
Technológia
•
Helyiségfűtés:
–
–
–
–
•
Használati melegvíz:
–
–
–
•
gáz- és villanyboiler,
központi (kazán) és távhő fogyasztói hőközpont (hmv hőcserélők),
napkollektor.
Főzés (egyedi):
–
–
–
•
tűzhely, kályha, gázkonvektor, villanykályha,
egyedi kazán a helyiségekben radiátorokkal, egy fan-coil-al és levegő-keringtetéssel, -cserével,
központi kazán a lakóhelyiségekben radiátorral, központi fan-coil levegő-keringtetéssel, -cserével,
távfűtés (kooperáló fűtőerőmű és kazán, távvezeték-hálózat, fogyasztói hőközpontok, fogyasztók
radiátorokkal, lehetőség központi fan-coil levegő-keringtetéssel, levegőcserével,).
gáz- és villanytűzhely,
„naptűzhely” (fejlődő világ),
biomassza „tűzhely”.
Ipari technológiai:
–
hőhordozók:
•
•
•
•
vízgőz-kondenzátum,
termoolaj,
füstgáz,
„villamos energia”.
Távhőellátás
Kétcsöves távhőrendszer hőigénye
A fűtés hatékonyságának javítása
Relatív fűtési hőigény a levegőhőmérséklet függvényében (tb=20 oC)
Relatív fűtési hőigény időtartam diagram
1,000
1,200
0,900
1,000
0,700
0,600
q=1,0
q=0,7
0,500
q=0,5
0,400
0,300
fűtési hőigény [kW]
relatív fűtési hőigény [kW]
0,800
0,800
q=1,0
0,600
q=0,7
q=0,5
0,400
0,200
0,200
0,100
0,000
-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
0
1
levegőhőm érséklet [oC]
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12
0,000
0
500
1000
1500
2000
2500
időtartam [h/év]
3000
3500
4000
4500
5000
Hatékonyság-javítás
• Fűtés:
– kisebb hőigény,
– rövidebb fűtési szezon.
• Napkollektoros hmv-termelés:
– Tüzelőhő, villamos energia csökken,
– Nyáron távhő hmv nem szükséges, forróvíz
keringtetés?
• Következmény:
– Földgáz-, távhő-szolgáltató gazdaságossága?
– Nem érdekelt a hatékonyság javításban.
3. Villamosenergia-ellátás
• A legjobb használati értékű szekunder
energiahordozó.
• A villamos energia előállítható:
– fosszilis tüzelőanyagok kémiailag kötött energiájából
hőerőművekben (CO2-kibocsátás),
– nukleáris üzemanyagok atommagban kötött energiájából
atomerőművekben (C-mentes),
– Megújuló energiaforrásokból:
• víz-, szélerőművek, fotovoltaikus (PV) napelemek (C-mentes),
• biomassza (C-semleges) és geotermikus fűtőerőművekben (Cmentes).
• Hazánkban 2009-ban
– ~5,2 millió háztartási (lakossági),
– 84 ezer termelő ági és
– ~280 ezer nem termelő ági fogyasztó volt.
Villamosenergia-termelés
• A 2009-ben Magyarországon termelt villamos energia
(38,689 TWh)
– 52 %-a (20,26 TWh) járt CO2-kibocsátással, míg 48 %-a
karbon-mentes, ill. semleges (18,429 TWh) volt.
– Értékesített villamos energia 126,9 PJ/év (35,25 TWh/év) .
• Összetétele:
–
–
–
–
6,346 TWh szén,
13,914 TWh (szénhidrogén) földgáz;
15,426 TWh nukleáris,
0,228 TWh víz, 0,331 TWh szél és 2,444 TWh biomassza és
kommunális hulladék;
– CO2-kibocsátás: 14,1 Mt/év.
Villamosenergia-felhasználás
• Világítás, információtechnika („szórakoztató” elektronika) →
fogyasztói szokások:
– technológiaváltás → energiatakarékos égők (világítótestek
követése),
– egyre kisebb fogyasztású berendezések, de készenléti állapot is
(kapcsold ki).
• Hajtás: → kooperatívabb társadalom
–
–
–
–
Az egyéni közlekedésről „átállás”
a városi vagy,
távolsági tömegközlekedésre.
De ehhez megfelelő infrastruktúra és színvonal szükséges.
• Hűtés → fogyasztói szokások:
– légkondicionálás (tb=22 oC), milyen hőmérséklettől,
– fagyasztás (élelmiszerek, -35 oC-ig),
– ipari technológiák (pl. gázok cseppfolyósítása, -180 oC-ig).
Technológia
• Termelés:
– szén, fűtőolaj, földgáz kondenzációs és fűtő gőzerőművek,
– atomerőművek (BWR, PWR 3+, más hőhordozóval, moderátorral és
munkaközeggel),
– földgáz vagy üzemanyag gázturbina és kondenzációs gőzturbina
kombinált erőmű, gázturbinás és gázmotoros fűtőerőművek,
– biomassza és (kommunális, ipari) hulladék fűtő gőzerőművek,
– víz-, szél- naperőművek, fotovoltaikus napelemek,
– geotermikus erőművek,
– földgáz (biogáz), hidrogén tüzelőanyag-cellák.
• Centralizált vagy decentralizált?
– centralizált: villamosenergia-rendszer (erőmű, hálózat, fogyasztók
sokasága),
– decentralizált: valamilyen tüzelőanyagból kiserőmű és egyedi vagy
kisebb fogyasztócsoport ellátása hővel és villamos energiával → a
VER teljesítményének csökkenése.
Villamosenergia-ellátás
A hazai nagyfeszültségű villamos hálózat [Gerse]
Villamosenergia-igény P(t), P(τ)
P
[W]
P [W]
Pcs
Pmax
Pcs
Pm
Pmin
Pmi
n
Pa
0
24
t
[h]
0
8760
t [h/év]
Erőműtípusok
Illeszkedés a VER üzemviteléhez
• A villamosenergia-tárolás
„gyengesége” miatt
P(t)fogyasztók=P(t)erőművek-P(t)veszteség.
– Időjárásfüggő erőművek → kiegyenlítő
erőművek → szivattyús tározós erőmű.
• Beépített (BT) és rendelkezésre álló
teljesítmény (RT):
BT 
E
t év

BT t cs
8760
Szivattyús, tárolós vízerőmű
Helyi Irányító
Központ (HIK)
MAVIR
Vf, m3
felső
tároló
információ-kapcsolat
Va, m3
szivattyú,
turbina
X. 4. ábra
G&M
motor,
generátor
alsó
tároló
Támogatások
• Beruházási (pl KEOP).
• Támogatott ár és kötelező átvétel.
– Jelenleg a támogatás 80-85 %-a földgáz-bázisú
kapcsolt energiatermelés.
– A kötelező átvétel megmarad, de 2011-től
versenyáron,
– Jelenleg hőártámogatás,
– 2013-tól új megújuló támogatás?
• CO2-adó, karbonmentes technológiák,
zöldbizonyítványok.
Vezetékes energiahordozók jellemzői
Jellemző
Villamos energia
Földgáz
Távhő
Hálózat
országos,
országok közötti
országos,
országok közötti
lokális
(szállítás<~30 km)
Minőségi jellemzők
Frekvencia
(f=50±0,05 Hz),
feszültség,
Szinusz hullámalak
Fűtőérték
(összetétel)
(Hü>34 MJ/Nm3)
nyomás
helyiséghőmérséklet
tb=(20±2) oC,
hmv hőmérséklet
>45 oC
Primer tüzelőhő
[PJ/év]
2008. évi felhasználás
(1120)
433,1 (39 %)
304,7 (27 %)1
Végenergia [PJ/év]
2008. évi felhasználás
(769)
Egyéb tüzelőhő
144,1 (20 %)
(40,026 TWh/év)
304,7 (47 %)
132,2 (17 %)
37,8 (5 %)
Vezetékes energiahordozók gazdasági modellje