Transcript energia

Energia mindenhol
Radnóti Katalin
ELTE TTK Fizikai Intézet
[email protected]
http://members.iif.hu/rad8012/
Ne fogyassz sok energiát!
Takarékoskodjunk az energiával!
De az iskolában azt tanítjuk, hogy az
energia megmarad.
Akkor most mi a helyzet?
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.
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.
Történet
Az energia szó a görög ενεργεια kifejezésből ered, ahol az ενjelentése „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
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.
A mechanikai energia megmaradásával
magyarázható jelenségek
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
Kiskocsik és rugók
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.).
Energiatermelés, erőművek
Fogalmi problémák
erő – energia
munka – hő - energia
Primer energia – átalakítás- felhasználás
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.
Energiafelhasználás, hatásfok
Carnot-féle körfolyamat
W  W1  W2   RT2  T1  ln
V2
V1
T2  T1

T2
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!
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.”
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 vezető
a.) 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.
DRS 20.23. Egy vezetőkörben a fluxus a felső ábrán látható módon
változik az idő függvényében. Hogyan változik az indukált
feszültség az idő függvényében?
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. .
Transzformátor, generátor
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 IIes 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.
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 U
,  0,2aJ  0,63 V a potenciálesés.
2e
A poláros kötések nagyobb kötési energiája lehetőséget ad arra, hogy az
apoláros kötésekben energiát tároljunk, majd a kötést polárossá alakítva az
energia bármikor felszabadítható.
Szén-dioxid kibocsátás 2010
Magyarország 51 millió tonna


Mt CO
2
Forrás:Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 61. k. 9 .sz. 2011.-p.
78.
67
15

Szén-dioxid-kibocsátás 2010-ben – 2.
t CO2/fő
A tíz legnagyobb CO2-kibocsátó ország egy főre jutó értéke
Forrás: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 61. k. 9 .sz. 2011. p. 67-78.
Magyarország 5.1 tonna szén-dioxid/fő
15
Szén-dioxid-kibocsátás Magyarországon
2010-ben 67,8 M t (+1,8%)
2010-ben 51,5 M t (+2,0%)
Forrás: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 61. k. 8 sz. 2011. p. 67-78.
22
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.
•
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.
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.
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
bővítési lehetőséggel

alternatíva,
foglalkoztatás
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)

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.
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.
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 alkáliés klórtartalma, korrozivitása, hamujának összeolvadási hajlandósága
és az általa képzett lerakódások nagy problémákat okoznak a
biomassza tüzelésű erőművek tervezése és üzemeltetése során.
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 m3 bioetanol
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.
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.
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
[email protected]
http://members.iif.hu/rad8012/