Transcript Bevezetés10 - BME Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

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
• Energetikai BSc hőenergetika szakirány
(kötelező, 6. szemeszter, 2ea+1labor,
évközi jegy),
• Gépész- és egyéb mérnök BSc
(választható, 2ea, évközi jegy).
• 2 db írásbeli beszámoló (>50 %) a 7. és
14. héten + pótbeszámoló a pótlási
héten.
Előadások
Időpont
Témakör
Előadó
febr. 8.
Bevezetés
Dr. Ősz János
15.
Vízerőművek
Dr. Kullmann László
22.
Vízerőművek
Dr. Kullmann László
29.
Vízerőművek
Dr. Kullmann László
márc. 7.
Szélerőművek
Balogh Antal
14.
Szélerőművek
Balogh Antal
21.
1. írásbeli beszámoló
Kaszás Csilla
márc. 28.
Napenergia
Kaszás Csilla
ápr. 4.
Napenergia
Kaszás Csilla
11.
Bioenergia
Dr. Ősz János
18.
Bioenergia
Dr. Ősz János
25.
Geotermikus energia
Dr. Ősz János
máj. 2.
Vezetékes energiaellátó rendszerek
Dr. Ősz János
13.
2. írásbeli beszámoló
Kaszás Csilla
Labor+gyakorlat (páros kedd)
Időpont
Témakör
Előadó
febr. 14.
1. Vízerőművek
febr. 28.
2.
Kaszás Csilla
márc. 13.
3. Szélerőművek
Kaszás Csilla
márc. 27.
4. Napenergia-hasznosítás
Kaszás Csilla
ápr. 10.
5. Biomassza-hasznosítás
Kaszás Csilla
ápr. 24.
6. Biomassza-hasznosítás
Kaszás Csilla
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.
Az energiaellátás rendszerstruktúrája
Energiahordozók
Energiahordozók
Energia
elõállítása
szállítása
végfelhasználás
elosztása
tárolása
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
Szekunder energiahordozók
Villamos energia
Hő (hőhordozó)
x
x
x
x
x
x
Nukleáris
x
x
Napsugárzás
x
x
Víz
x
Szél
x
Geotermikus
x
x
x
x
x
x
Primer energiahordozó
Megújuló energiaforrás
Üzemanyag
Szén
Nyersolaj
x
Fűtőolaj
Földgáz
Biomassza
(Hulladék)
x
x
Magyarország 2006 [PJ/év]
Primer energiahordozó
Szekunder energiahordozó
Energiahordozó
Felhasználás
Hő
Villamos energia
Veszteség
Szilárd (szén)
130
28
25
59
Olaj
328
12
2
4
Földgáz
480
302
48
88
Nukleáris
145
48
97
Megújulók
53
6
14
Egyéb
27
Hő, ipari
hulladék
33
Anyag/
Üzemanyag
18
196
114
42
-27
53
Szállítási
veszteség
-10
Nem energetikai
Összes
Veszteség
-100
1163
428
119
262
196
+47
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:
fűtőolaj:
földgáz:
PB-gáz
biomassza:
hulladék:
(hidrogén:
7-28 GJ/t,
40-42 GJ/t,
34 GJ/ezer Nm3 (48 GJ/t)
45 GJ/t
10-16 GJ/t,
6-10 GJ/t.
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:
– hő:
– világítás, információtechnika:
20-30 %,
60-70 %,
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, DélkeletÁzsiában).
• 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.
Fenntartható társadalom energetika
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
Ökológiai felelősség
Környezet- és klímavédelem
pl. a hazai energiahordozók előnyben
részesítése
pl. az ember klímaváltoztató hatásának,
talajerózió, eutrofizáció mérséklése,
földátalakítás, biodiverzitás biztosítása
EU közös energiapolitikai célok
•
•
•
•
Versenyképesség (Lisszabon): belső piac, verseny, hálózati
kapcsolatok, európai villamosenergia-hálózatok, K+F (tiszta szén, CO2elnyeletés, alternatív tüzelőanyagok, energiahatékonyság, nukleáris
energia).
Környezetvédelem (Kyoto): megújuló energiaforrások hasznosítása,
energiahatékonyság, nukleáris energia, innováció és kutatás, CO2emisszió 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 KöEurópa), 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:
–
–
–
–
–
•
A szénhidrogének eloszlása egyenlőtlen:
–
–
•
•
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→U233)?),
A tüzelőanyagok egymással való helyettesítése korlátozott.
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,
–
–
–
–
–
•
•
•
•
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?
–
–
–
–
•
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,
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.
Környezet- és klímavédelem:
Fajlagos CO2-kibocsátás
„Tiszta” tü-
Tüzelés reakcióegyenlete
zelőanyag
Mérleg
Kibocsátás
Moláris [g/mol]
Tömeg [kg]
[tCO2/GJü]
Szén
C+O2=CO2+qü
12+32=
44+qü
1+2,66=
=3,66+33,8 MJ
0,108
Benzin
(oktán)
2C8H18+25O2=16CO2+18H2O+qü
228+800=
=704+324+qü
1+3,51=
3,09+1,42+48,8 MJ
0,063
Metán
(földgáz)
CH4+2O2=CO2+2H2O+qü
16+64=
=44+36+qü
1+4=
2,75+2,25+49,5MJ
0,055
Biomassza
(glükóz)
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+qü
180+192=
=264+108+qü
1+1,07=
1,47+0,6+18 MJ
0,082
Hidrogén
2H2+O2=2H2O+qü
=4+32=36+qü
1+8=9+119,6 MJ
0,0
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:
–
–
–
–
•
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:
–
•
Hidrogén,
Atomerőművek,
Megújuló energiaforrások (nap, szél, víz, geotermikus).
DE az előállításukhoz, felépítésükhöz felhasznált (számított) fosszilis energia CO2-kibocsátását
figyelembe veszik!
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.
EU-15 importfüggése
100
88,5
90
81,4
76,8
80
67,5
65,7
70
%
60
51,3
50
40
48
33,2
30
20
10
0
Szilárd tüz.
Olaj
Földgáz
2002
2030
Összes
Magyarország mennyiben felel meg a fenntartható energetika
követelményeinek?
•
Versenyképesség
– A hazai villamosenergia-rendszer (VER) része az UCTPE-nek, a földgázhálózat 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 karbonmentes 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
kívánatosnál drágább energiaellátást eredményez;
– Környezet- és klímavédelem: a karbon-mentes technológiák részaránya a
lehetségesnél jóval kisebb,
– Energiaellátás biztonsága: a földgáz nagy részaránya miatt sérült.
•
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).